/
Текст
2.4 г/ !< .. / — ОБЩАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ТОПЛИВА Под редакцией С. В. Кафтанова Допущено Министерством высшего образования СССР в качестве учебника для химических втузов ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ХИМИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 1947 ЛЕНИНГРАД
662-6 0-28 41- Книга является учебником для химико-техно- логических вузов. В ией описаны основные технологические процессы, оборудование и ре- жим пирогенетической переработки твердого, жидкого и газового топлив. Наряду с теорети- ческими основами и технологией описываемых процессов в книге приведены положения, не- обходимые для выбора конструкций главней- ших аппаратов и машин, и разобраны методы обслуживания аппаратуры и агрегатов. К ЧИТАТЕЛЮ Издательство просит присылать Ваши замечания и отзывы об этой книге по адресу: Москва, Новая площадь, дом 10, подъезд 11, Госхимпздат.
ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ Учебник «Общая химическая технология топлива» в первом изда- нии был выпущен в 1941 году. В связи с тем, что учебник быстро разошелся, а необходимость в этом учебнике значительно возросла, авторы подготовили учебник к новому изданию. В целях улучшения учебника при подготовке его к новому изда- нию авторы несколько сократили его объем за счет описания некото- рых деталей процессов и аппаратуры и за счет сокращения некоторых разделов и подразделов; Во втором издании книги поэтому не помещены: Введение и глава — «Среднетемпературное коксование». Глава «Конденсация и улавлива- ние» и отдельные подразделы в других главах сокращены. Дополни- тельно внесены во второе издание; краткое изложение теории перегонки и ректификации, новые данные по каталитическому крекингу иописание работы современных установок по получению синтетического горючего. Авторы обращаются с просьбой к читателям сообщить свои поже- лания и замечания по данной книге, которые будут приняты с благо- дарностью. ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ Настоящий учебник составлен группой профессоров и преподавате- лей Московского химико-технологического института им. Д. И. Мен- делеева под общим руководством проф. Е. В. Раковского и проф. Е. Э. Лидера при участии ряда работников научных институтов и про- мышленности в соответствии с учебной программой курса «Общая хи- мическая технология топлива», читаемого для студентов пирогенети- ческих специальностей в качестве общего вводного курса. Издавав- шиеся ранее учебные руководства по технологии топлива как совет- ские, так и переводные либо разбирали процессы использования топ- лива, главным образом, с теплотехнической точки зрения, недостаточно уделяя место вопросам технологии и техники химической переработки топлив, либо освещали только отдельные производства, не охватывая всего объема технологии пирогенных процессов. Химическая переработка топлива в СССР получает за последние годы все большее распространение. XVIII Съезд ВКП(б) дал развер- нутую программу еще более мощного развития химической перера- ботки топлива в третьей Сталинской пятилетке. В связи с этим особое значение приобретает подготовка высококва- лифицированных кадров инженерно-технических работников этой от- расли промышленности. Настоящая работа, являясь первым опытом по составлению учеб- ника для химико-технологических вузов по общей химической техноло- гии топлива, само собой разумеется, не может претендовать на исчер- Р 3
пывающее освещение всех вопросов, возникающих при изучении много- образных процессов химической переработки топлива. Составители ставили себе задачу осветить в сжатом виде лишь основные вопросы химической переработки топлив. Тем не менее ввиду обширности са- мой темы получился весьма объемистый труд. Издание настоящего учебника не исключает, а, наоборот, предпо- лагает издание учебных пособий по специальным курсам химической технологии топлива — коксованию, газификации, полукоксованию и т. д., в которых более детально будет излагаться материал специаль- ных курсов. В составлении отдельных глав принимали участие: Введение — К- Н. Клопотов; главы 1 и 2 — проф. Е. В. Раковский, глава 3 — проф. Е. Э. Лидер; глава 4—• канд. техн, наук Н. Д. Тала- нов; глава 5 — канд. техн, наук Н. Д. Таланов совместно с проф. Д. В. Нагорским (последним составлены расчеты полукоксовой печи и рекуператора); глава 6 — К. Н. Клопотов; глава 7 — проф. Е. Э. Ли- дер совместно с кандидатами техн, наук Н. Б. Пинягиным и И. Л. Фар- беровым (расчет коксовых печей составлен по материалам проф. Д. В. Нагорского); глава 8 — чл. корр. АН СССР А. Б. Чернышев совместно с канд. техн, наук Н. В. Лавровым и инж. М. К. Письме ном; глава 9 — чл. корр. АН СССР А. Б. Чернышев совместно с канд. техн, наук Н. С. Печуро; глава 10—инж. И. М. Гур- Финкель; глава 11 — канд. техн, наук П. А. Теснер; глава 12 — КН. Кло- потов совместно с канд. техн, наук Н. Б. Пинягиным (последним дано описание схем конденсации на заводах полукоксования и коксохими- ческих); глава 13 — канд. техн, наук Н. Б. Пинягин; глава 14 — инж. Н. Н. Егоров, инж. В. Д. Федоровский, инж. А. А. Ревякин (послед- ним составлен раздел об улавливании циана); глава 15 — доц. П. Н. Федотов; глава 16 — доц. П. Н. Фетодов совместно с доц. Г. П. Григорьевым (последний принимал участие в описании перера- ботки легкосредних фракций); глава 17 и 18 — чл. корр. АН БССР В. Е. Раковский; главы 19—25 — инж. Н. Г. Степанов; глава 26 — инж. В. В. Ке'льцев. Авторы просят всех лиц, пользующихся настоящей книгой в своей учебной или преподавательской работе, сообщить свои замечания по ней, которые будут приняты с благодарностью.
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ко второму изданию .... ... ............... 3 Предисловие к первому изданию............................................. 3 ЧАСТЬ I Характеристика и методы пирогенетической переработки твердых ископаемых топлив Глава 1. Характеристика топлива........................................ 13 Составные части топлива и его свойства.............................. 13 Технический и элементарный анализы топлива................... 14 Теплотворная способность топлива ................................ 16 Химический и петрографический состав углей главнейших месторожде- ний СССР...................................................... 17 Фюзен. Витрен. Дюрен. Кларен. Роль петрографических соста- вляющих угля при его обогащении Составные части ископаемых углей, выделяемые при обработке раство- рителями ......................................................... 21 Битумы и их состав............................................... 22 Роль битумов в процессах термической переработки топлива Гуминовые кислоты................................................ 25 Физико-химические свойства гуминовых кислот. Изменение содержа- ния гуминовых кислот при старении углей. Гуминовые кислоты , окисленных углей. Остаточный уголь.................................................... 28 Классификация твердых ископаемых топлив............................ 28 Классификация Грюнера и классификация углей Донбасса .... 28 Классификация по Парру.......................................... 28 Глава 2. Процессы пирогенетической переработки твердых ископаемых топлив Ступени пирогенетической переработки твердых топлив.............. 30 Подсушка топлива................................................. 30 Бертииирование................................................... 30 Полукоксование (низкотемпературное коксование)................... 31 Высокотемпературное коксование................................... 31 Спекаемость угля. Пластическое состояние угля. Влияние битумов Газификация...................................................... 34 Гидрогенизация................................................... 35 Химизм процессов изменения первичных продуктов низкотемпературной перегонки топлив.................................................. 35 Первичный деготь, его состав и свойства.......................... 35 Разгонка первичного дегтя Подсмольная вода................................................. 39 Первичные газы и их состав.......................... 39 г»
Продукты высокотемпературной перегонки твердых топлив Каменноугольная смола ................................ Коксовый газ................................................... Крекинг и гидрогенизация дегтей..................................... 43 Синтез жидкого топлива нз газов . ............................ 4/ ЧАСТЬ II Полукоксование, коксование и газификация Глава 3. Углеобогащение.................................................. 48 Методы обогащения углей ........................................... 48 Грохочение углей ................................................ 49 Колосниковые грохоты. Роликовые или валковые грохоты. Плоские качающиеся грохоты. Грохот Бауме. Грохот Феррариса. Грохот систем Кокса. Вибрационные грохоты. Барабанные грохоты Дробление углей.................................................. 56 Щековые дробилки. Валковые дробилки. Дезинтеграторы и мо- лотковые дробилки Породоотборка.................................................... 61 Плоские грохоты или транспортерные ленты. Вращающиеся поро- доотборные столы. Грохоты для сортировки по форме куска. Дро- билки Бредфордса Обогащение углей по удельному весу............................... 62 Методы определения обогатимости в тяжелых жидкостях Мокрое обогащение............................................. 64 Теория и схемы мокрого обогащения. Моечные аппараты с не- прерывно восходящим потоком воды. Гидросепаратор Мензиса. Конус Чанса. Отсадочные машины. Реомойки. Концентрационные столы. Флотационные машины Обезвоживание................................................... 76 Промывные воды Сухое обогащение................................................. 77 Глава 4. Полукоксование (низкотемпературное коксование)................ 80 Температура полукоксования и скорость нагрева топлива ... 80 Влияние размера кусков топлива на выход продуктов .... 82 Методы полукоксования............................................ 83 Роль давления при полукоксовании ................................ 84 Применение продуктов полукоксования.............................. 85 Полукокс. Первичный деготь (смола) Комбинирование полукоксовых печей с газовыми заводами н котель- ными установками................................................ 86 Глава 5. Печи для полукоксования.......................................... 88 Неподвижные печи с внешним обогревом................................ 88 Печи системы Ролле .............................................. 88 Печь «Коалит».................................................... 91 Печи для швелевания.............................................. 92 Вращающиеся печи с внешним обогревом................................ 93 Печь KSG......................................................... 93 Печь Гейсена..................................................... 94 Неподвижные печи с внутренним обогревом............................. 95 Печь Пинча...................................................... 95 Трехзонная печь с внутренним обогревом.......................... 98 Печн с перемещением топлива и внутренним обогревом................. 99 Туннельная печь................................................. 99 Глава 6. Коксование и коксовые печи....................................... 102 Развитие техники коксования и конструкций печей .................... 102 Устройство первых коксовых печей................................. 102 6
Современные коксовые печи......................................... Печи системы Отто.............................................. Печи системы Коппе............................................. Г?'ечь системы Копперса с круговым потоком газа . . ... Печи системы Беккера........................................... Классификация современных коксовых печей.......................... Размеры коксовых печей......................................... Непрерывные вертикальные печи..................................... Арматура коксовых печей . ..................................... Машины и механизмы коксовых печей.............................. 106 106 109 ПО 112 113 115 116 117 119 Загрузочный вагон. Коксовыталкиватель. Двересъемное устройство. Двереэкстрактор с направляющей. Тушильный вагон. Тушильная башня. Другие машины и механизмы, обслуживающие коксовые печи. Рампа. Коксосортировка Обслуживание коксовых печей..........................................126- Загрузка печи шихтой......................................г 126 Угольная башня. Заполнение загрузочного вагона. Загрузка печи. 126 Планирование Выдача коксового пирога............................................129 Подготовка печи к выдаче. Выдача кокса Тушение и сортировка кокса.........................................131 Мокрое тушение. Сухое тушение. Сортировка кокса График работы машин, обслуживающих коксовый блок................. . 132 Отопление коксовых печей............................................ . 133 Отопительная арматура ........................................133 Кантовочная лебедка. Перевод отопления печей с богатого на бед-, ный газ. Устройство для контроля и регулирования нагрева Режим работы коксовых печей...................................... . 139 Тепловой режим ....................................................139 Гидравлический режим.............................................. 140 Теплотехнический контроль..........................................142 Огнеупоры для кладки коксовых печей................'..................142 Растопка коксовых печей.............................................. 143 Процессы, происходящие в камере коксовых печей........................145 Пластическое состояние шихты и коксообразование....................145 Теплопроводность и теплопередача шихты.............................146 Движение газов в загрузке коксовых печей...........................148 Методика составления балансов коксовых печей..........................151 Материальный баланс........................................ . • 151 Тепловой баланс............................................... . 152 Расчет коксовых печей.................................................154 Качество кокса........................................................154 Состав кокса . ........................................154 * Физико-механические свойства кокса.......................................155 Барабанная проба и проба на сбрасывание. Трещиноватость и пористость Реакционная способность кокса .................................... 157 Глава 7. Газификация твердого топлива................................158 Физико-химические основы газогенераторного процесса..................158 Схема работы газогенератора.......................................158 Механизм основных реакций процесса газификации....................160 Процесс газификации твердого топлива..............................162 Тепловой эффект и химическое равновесие основных реакций газо- генераторного процесса . .........................................163 Основы кинетики химических реакций газогенераторного процесса . 166 Технические основы получения генераторных газов......................168 Основные факторы, влияющие на процесс газификации твердого топлива ..........................................................168 Реакционная способность коксового остатка топлива.................168 Идеальные генераторные газы........................................ 170 Промышленные генераторные газы и технические методы их получения 172 Периодический способ производства водяного газа.............. . 176 Непрерывный способ производства водяного газа.....................179 Газификация мелкозернистого топлива ..............................180 Газификация под высоким давлением......................... . . 182 Подземная газификация углей..................................... . 182 7
Глава 8. Конструкция газогенераторов и их основных деталей................186- Типы н виды газогенераторов.........................................186 Газогенераторы с неподвижными колосниковыми решетками ... 186 Газогенераторы с плоской колосниковой решеткой. Газогенераторы со ступенчатой колосниковой решеткой. Газогенераторы с круглой дутьевой головкой Газогенераторы с вращающимися колосниковыми решетками . . . 188 Газогенераторы Керпели. Газогенераторы Коллера. Газогенераторы Дейтца. Газогенераторы Гильгера Безрешеточные газогенераторы.....................................191 Газогенераторы с удалением шлака в жидком виде Газогенераторы с механизированными шуровочными приспособлениями 192 Газогенераторы Чепмана. Газогенераторы Вельмана Специализированные газогенераторы................................193 Газогенераторы с использованием физического тепла. Газогене- раторы для получения смол Газогенераторы для силового газа.................................195 Газогенераторы Дейтца. Газогенераторы с обращенным процессом. Газогенераторные установки для получения водяного и двойного во- дяного газа. Газогенераторы Лимн-Рамбуш. Газогенераторы Штрахе Загрузочные устройства газогенераторов и механизмы для привода вращающихся колосниковых решеток.......................................200 Загрузочные устройства..............................................201 Приводные механизмы ................................................202 Расчеты газогенераторного процесса.....................................202 Основы эксплоатацни газогенераторных станций...........................204 Устройство газогенераторных станций ...........................204 Эксплоатация газогенератора ........................................207 Организационно-технические вопросы эксплоатацни газогенераторных станций..........................................................209 /'лава 9. Производство светильного (бытового) газа.........................210 Получение светильного газа из каменного угля.........................211 Требования к газовому углю..........................................211 Типы газовых печей и их конструкция....................................212 Гильзы. Реторты и камеры. Топки. Рекуператоры. Огневые каналы. Аппаратура для вывода газа из печи Газовые печн с горизонтальными ретортами.........................215- Газовые печи с вертикальными ретортами периодического действия 215 Газовые камерные печи............................................216 Газовые печи с вертикальными камерами. Газовые печи с вертикаль- ными ретортами непрерывного действия............................216. Ввод пара в реторты.................................................218 Общая схема газового завода для получения светильного газа . . 219 Глава 10. Хранение и транспорт газа.......................................220 Г азолроводы...........................................................220 Расчет газопроводов ................................................ 220 Потери давления по длине газопровода. Местные сопротивления. Расчет простых и сложных газопроводов Магистральные газопроводы ..........................................226 Газовые сети........................................................227 Городские сети. Заводские сети ................................ Горячие газопроводы.................................................230 Сжатие газа.........................................................230 Конструкция газопроводов ........................................... 232 Трубы. Соединение труб. Отсекающие приспособления. Компен- саторы. Конденсационные горшки. Колонны газопроводов . Газгольдер^...........................................................235 Мокрые газгольдеры..................................................236 Сухие газгольдеры ..................................................237 Газгольдеры высокого давления......................................239 Эксплоатация газгольдеров..........................................239 Включение в сеть. Йыбор газгольдера Подземные газохранилища..........................................240 8
ЧАСТЬ III Конденсация и улавливание летучих продуктов полукоксования, коксования и газификации Глава II. Конденсация н улавливание.......................................241 Состав и свойства газов..............................................241 Состав газов и температура их на выходе...........................241 Характеристика промышленных газов ................................242 Процессы конденсации и улавливания летучих продуктов.................243 Охлаждение газа. Конденсация омолы. Извлечение аммиака. Улавливание бензола. Вымывание нафталина. Извлечение серни- стых соединений и циана. Осушка газов. Методы отсоса газа Г лава 12. Конденсация и улавливание на коксохимических заводах . 247 Отдельные участки и аппараты конденсации и улавливания .... 247 Барильет или газосборник..........................................247 Газопровод от коксовых печей, фусоотделитель и декантер .. . . 248 Охлаждение газа и аммиачной воды.....................................249 Отделение смолы.................................................... 253 Отсос или передвижение газа..........................................256 Улавливание и переработка аммиака....................................259 Аммиак надсмольной воды...........................................259 Способы переработки аммиака.......................................260 Улавливание аммиака из газа.......................................262 Аммиачные скрубберы Получение концентрированной аммиачной воды........................264 Схема работы аммиачного отделения. Аммиачная колонна Получение сульфата аммония........................................268 Методы улавливания и выделения бензола.............................271 Характеристика поглотительных масел.............................272 Каменноугольное масло. Соляровое масло.......................272 Типовая схема улавливания и выделения бензола Схема бензольного отделения.......................................274 Аппараты бензольного отделения.................................. 277' Колоииа. Дефлегматор. Подогреватель. Теплообменники. Конден- сатор-холодильник. Масляные холодильники Глава 13. Очистка газа от серы............................................281 Сухая очистка газа от сероводорода...................................281 Очистка болотной рудой в ящиках...................................281 Конструктивные особенности сероочистных ящиков. Башенная очистка. Режим сухой очистки и регенерация очистной массы Основные показатели сухой очистки (болотной рудой)................287 Очистка газа от сероводорода активированным углем............... 288 Способы мокрой сероочистки...........................................289 Методы мокрой сероочистки без регенерации серы....................289 ’ Методы Сиборда. Метод Пти. Железо-содовый и железо-аммиач- ный методы Методы мокрой сероочистки с получением элементарной серы . . 290 Мышьяково-содовый метод. Двухступенчатый процесс мышьяково- содовой сероочистки Мышьяково-аммиачный метод.........................................296 Способы Фишера....................................................297 Сероочистка фенолятом натрия......................................297 Очистка газа от циаиа................................................299 Сухие способы извлечения циана....................................299
ЧАСТЬ IV Переработка жидких продуктов коксования, полукоксования и газификации Глава 14. Переработка сырого бензола.....................................301 Теоретические основы процессов дестилляции и ректификации . . , . 301 Фракцнонировка и/ ректификация...................................308 Переработка сырого бензола............................................312 Химическая очистка сырого бензола................................314 Предварительная ректификация . . ................................315 Очистки фракций крепкой серной кислотой..........................319 Окончательная ректификация ......................................320 Получение кумароновой смолы......................................323 Регенерация серной кислоты.................................... 323 Непрерывнодействующие системы ректификации.......................325 Глава 13. Переработка первичных и высокотемпературных смол . 329 Дестилляция каменноугольной смолы ..................................329 Обезвоживание....................................................329 Периодические схемы дестилляции..................................332 Схема дестилляции смолы с использованием тепла пародестил- лата. Схема дестилляции каменноугольной смолы системы Гнпро* кокса. Разливка и охлаждение пека. Режим дестилляции смолы Вторичная дестилляция фракций каменноугольной смолы .... 338 Технологическая схема вторичной дестилляции Непрерывная дестилляция смол......................................339 Система Абдерхальдена. Трубчатая система дестилляции Кристаллизация и переработка фракций на чистые продукты .... 342 Схема кристаллизации нафталина и антрацена........................343 Нутчевание антрацена. Производство кристаллического нафталина. Сублимация нафталина Получение фенолятов из фракции каменноугольной смолы .... 349 Отдувка масел и сатурация. Каустификация соды. Ректификация сырых фенолов Получение чистых азотистых (пиридиновых) оснований из фракций каменноугольной смолы.............................................354 Получение сульфатов азотистых оснований и их разложение. Рек- тификация азотистых оснований Продукты переработки каменноугольной смолы и их применение . . 357 Глава 16. Переработка первичных дегтей торфа...............................359 Влияние природы торфа и температуры переработки его на выходы и состав дегтей.......................................................359 Технологическая схема переработки торфяных дегтей...................360 Получение восков..................................................360 Дестилляция дегтя.................................................362 Выделение и получение фенолов.....................................365 Производство парафина.............................................368 Очистка нейтральных масел.........................................370 Использование пеков...............................................370 Глава 17. Использование и обезвреживание подсмольных и надсмольных вод 373 Факторы, влияющие на состав подсмольных и надсмольных вод . . . 373 Влияние температурного режима переработки топлива.................373 Влияние состава перерабатываемого топлива ....................... 374 Влияние методов конденсации ..................................... 376 Выход подсмольных вод, их очистка и обезвреживание..................37g Очистка и переработка подсмольных вод............................ 37g Обесфеноливание бензолом. Обесфеноливание трикрезилфосфатом. Окончательная (биологическая) очистка сточных вод 10
ЧАСТЬ V Нефть и ее переработка Глава 18. Прямая гонка нефти............................................384 Характеристика нефти как сырья для переработки.......................384 Характеристика и классификация нефтей.............................384 Физические свойства нефти........................................ 385 Прямая гонка нефти................................................. 389 Продукты прямой гонки нефти.......................................389 •Методы перегонки нефти.............................1 390 Периодическая разгонка. Непрерывная разгонка в кубовых бата- реях. Перегонка нефти на трубчатых установках. Кривая истинных точек кипения и кривая однократного испарения. Перегонка нефти в трубчатых установках, работающих при атмосферном давлении. Вакуумная перегонка мазута с целью получения смазочных масел Глава 19. Крекинг тяжелых видов жидкого топлива..........................398 Влияние физико-химических факторов па процессы крекинга и химизм процесса .......................................................... 399 Влияние температуры, продолжительности реакции и давления . . 399 Химизм процесса крекинга...........................................400 Термодинамика крекинга.............................................400 Повторный крекинг (крекинг с применением рисайкла).................402 Формы проведения крекпнг-процессов...................................403 Технология крекинга..............................................405 Системы жидкофазного крекинга......................................408 Процесс Кросса. Процесс Винклер-Коха. Двухпечный крекинг Нефтепроекта Системы парофазного крекинга ......................................411 Окислительный крекинг системы Дубровая .... ... 413 Каталитический крекинг...............................................414 Процесс Гудри......................................................415 Катализаторы. Каталитические камеры. Схема работы завода . Термофорный катализ................................................418 Жидкокатализаторный крекинг........................................419 Глава 20. Аппаратура крекинг-установок прямой гонки........................422 Трубчатые печи.......................................................422 Печь Форстера......................................................422 Радиантная и конвекционная секции печи. Ретурбенды и нагре- вательные трубы печи. Устройство и отопление печи Печь высокого давления Винклер-Коха.............................425 Тепловой режим печей...............................................425 Ректификационные колонны.............................................426 Колонна Баджера. Колонна Фостера. Колонна типа Алко. Отпари- вающие колонны. Вакуумные колонны Другая аппаратура и оборудование.....................................431 Теплообменные аппараты (теплообменники), подогреватели (ребой- леры) и холодильники .......................................... 431 Эвапораторы, газосепараторы и водоотделители ......................432 Глава 21. Пиролиз и полимеризация жидких и газообразных углеводородов 434 Характеристика процесса............................................ 434 Кокоообразование...................................................436 Сырье для процессов пиролиза.......................................436 Технологические схемы процессов пиролиза.............................437 Аппаратура для процессов пиролиза ................................ 439 Газогенераторы. Промывная колонна Пиролиз и полимеризация газов........................................140 Образование жидких углеводородов из газа......................441 Влияние условий проведения процесса .......... 442 Схемы процессов полимеризации......................................442 Каталитическая полимеризация. Установка для полимеризации газа жидкофазного крекинга Пути химической переработки газов пиролиза.........................446 11
Глава 22. Улавливание беизииа из газов....................................447 Методы извлечения бензина из газов..................................447 Компрессионный способ Схема компрессионной установки, . 449 Процесс масляной абсорбции........................................449 Схема газоулавливающей абсорбционной установки. Режим ра- боты абсорбционной установки Извлечение бензина из газов путем адсорбции.......................452 Стабилизация бензина ............................................ 453 Схема стабилизационной установки . - ЧАСТЬ VI Новые методы получения жидких топлив Глава 23. Гидрогенизация..................................................456 Сущность процесса и значение водорода и катализаторов для процес- сов гидрогенизации..................................................456 Получение водорода................................................457 Схема установки для конверсии газов Катализаторы, применяемые в процессах гидрогенизации .... 459 Технология гидрогенизации ......................................... 459 Расход водорода при гидрогенизации................................460 Тепловой эффект реакции гидрогенизации............................461 Схема некоторых гидрогенизационных установок......................461 Гидрогенизационный завод в Батон-Руж (США). Завод для ги- дрогенизации угля в Биллингеме (Англия) Области применения процессов гидрогенизации.......................453 Влияние условий гидрогенизации на аппаратуру......................464 Водородная коррозия. Аппаратура для процессов гидрогенизации Глава 24. Каталитический синтез беизииа из окиси углерода и водорода. 467 Технологическая схема процесса....................................4gg Катализаторы .....................................................472 Условия проведения процесса синтеза...............................473 Конструкция контактных аппаратов..................................473 Выход и характеристика продуктов синтеза и их переработка . . 475 Предметный указатель......................................................479
ЧАСТЬ I ХАРАКТЕРИСТИКА И МЕТОДЫ ПИРОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ИСКОПАЕМЫХ ТОПЛИВ ГЛАВА I ХАРАКТЕРИСТИКА ТОПЛИВА Составные части топлива и его свойства Топливом называются горючие органические вещества, являющиеся источником тепловой энергии и существующие в природе или искус- ственно изготовляемые в количествах, требуемых для широкого ис- пользования в народном хозяйстве. Топливо бывает твердое, жидкое и газообразное. Различают топливо естественное (дрова, уголь, нефть, природный газ и т. д.) и искусственное (древесный уголь, кокс, полукокс, про- дукты перегонки нефти, синтетический бензин и т. д.). Кроме горючей органической массы топливо содержит еще и не- горючую часть — балласт, состоящий из влаги и минеральных веществ. Общий состав топлива в процентах можно выразить формулой: орг. -j- балл. — 100, (1) где «балл.» обозначает сумму влаги и минеральной части, а «орг.» — органическую часть. Минеральная часть, остающаяся после сжигания топлива, назы- вается золой. В состав минеральной части обычно входят карбонаты, силикаты, фосфаты, сульфаты и сульфиды железа, кальция, алюминия, марганца, калия, натрия и др. Соли и окислы других металлов обычно содержатся в золе в очень небольших количествах и поэтому при техническом анализе топлива они не определяются. Количество влаги в топливе меняется в зависимости от способа его добычи и^^р^нения. Поэтому содержание влаги в пробе топлива дол- жно быть отнесено к определенному его состоянию. В зависимости от содержания влаги различают состояния топлива: рабочее, воздушно-сухое или лабораторное и абсолютно сухое. 1. Рабочим топливом называется топливо, не подвергавшееся под- сушке, т. е. топливо в том состоянии, в котором оно поступает потре- бителю. Общее содержание влаги в рабочем топливе в процентах VV’' складывается из влаги внешней (т. е. влаги, удаляемой при приведе- нии топлива к воздушно-сухому состоянию) и влаги гигроскопической деггиг₽- или лабораторной U/’™6'. 2. Воздушно-сухое или лабораторное топливо содержит некоторое постоянное количество влаги после хранения в условиях лаборатории. 13
Эта влага называется гигроскопической или лабораторной влагой IV'"гр- или 1Улаб‘. 3. Абсолютно сухое топливо получается досушкой топлива при 105° в атмосфере воздуха до постоянного веса. В средней пробе топлива, отвечающей составу пласта того или иного месторождения или исследуемой партии, наиболее характерным показателем является состав органической массы, которую относят к безводному и беззольному топливу. Состав топлива можно выра- зить уравнением: орг лаб’ Д- Алаб' + Глаб- = 100, (2) где орг.1ав-—содержание органической части в топливе, Ала"’ —со- держание золы и 1Улаб’ — содержание лабораторной влаги. Содержание органической части топлива находят из уравнения: орг. = 100 (Алаб- + 1Г1абЗ. (3) При неправильных определениях золы и влаги может получиться ошибочное представление об органической части топлива. Технический и элементарный анализы топлива Проведение технического анализа стандартизировано (ОСТ 7151). При техническом анализе топлива определяют влагу, выходы лету- чих веществ, нелетучий остаток, золу, серу и теплотворную способ- ность. В лаборатории выход летучих веществ выражается в про- центах от воздушно-сухой пробы исследуемого топлива. Выход летучих веществ в лабораторном топливе V’1 от выходов летучих в рабочем И’ или абсолютно-сухом топливе V находится в процентах по фор- муле: ' уР = ул 100 -IV. н 100—И7Л ’ v Для характеристики угля после удаления из него летучих веществ описывают внешний вид оставшегося1 в тигле твердого остатка — кокса. Порошкообразный характер остатка указывает на то, что для анализа был взят неспекающийся уголь. Если же остаток в тигле приобретает вид спекшегося королька, то должны быть отмечены характер и вид этого королька. Так, например, если отдельные частицы размельченного угля только слиплись, то такой кокс называется слипшимся. Если же отдельные зерна либо совсем не видны, либо кокс представляет собой сплошной монолит, то он называется в первом случае спекшимся, а во втором — сплавленным. Спекающиеся донецкие угли дают более' или менее сильно вспу- ченные корольки, высота которых характеризует и их внешний вид (табл. 1). Элементарный состав ископаемых топлив определяется методами органического анализа в воздушно-сухой пробе топлива. При перечис- лении на органическую массу данных, полученных в результате анализа такой пробы, неправильно определенное количество золы дает, как видно из метода перечисления, несколько искаженное содержание эле- ментов: Горг _ Слаб- • 100 loo — (iv+Ау 14
Если А — количество золы, найденное опытом, будет больше дейст- вительного содержания минеральных примесей, то Сор,'> вычисленное по формуле, будет больше истинного содержания углерода в органи- ческой массе топлива, и наоборот, у многозольного топлива величина этой ошибки доходит до 10%. ТАБЛИЦА 1 Зависимость между высотой и внешним видом королька (при анализе во ОСТ 7151) Высота королька в мм Характеристика королька Меньше 8 8-10 10—12 12—15 15—18 18—20 Больше 20 Совершенно не вспученный Почти не вспученный Очень слабо вспученный Слабо вспученный Нормально вспученный Сильно вспученный Очень сильно вспученный Элементарный состав и теплотворная способность органической части некоторых видов топлива и растений углеобразователей приве- дены в табл. 2. ТАБЛИЦА 2 Элементарный состав н теплотворная способность некоторых топлив и углеобразователей Наименование Элементарный состав в % Теплотвор- ная способ- ность Q в кал!кг С Н О N Углеобразователи Целлюлоза 44,4 6,2 49,3 — Дерево 49,7 6,1 43,6 0,1 4500 Мхн 49,9 6,5 42,4 1,16 - - Топливо Торф старый 59,7 5,3 38,0 2,18 5700 Лигнит 66,0 5,7 24,1 1,01 6000 Землистый бурый уголь 67,7 5,6 25,7 — 6100 Рядовой бурый уголь 72,5 5,6 20,5 1,15 6200 Блестящий бурый уголь 74,5 5,9 18,8 1.4 6800 Пламенный бурый уголь 75,9 4,9 . 17,9 1,24 7600 Спекающийся газовый уголь .... 83,2 5,4 9,9 1,56 7900 Жирный уголь 85,2 4,9 8,3 1,4 8300 Тощий уголь 91,6 3,8 4,53 8200 Антрацит 94,5 2,51 2,10 0,9 8000 Шунгит 99,12 0,4 — 0,4 8100 Сапропель 50,7 8,3 32,1 6400 Балхашит 75,8 10,9 13,74 0,55 9100 Битуминозный сланец 76,6 9,2 14,2 — 8700 Пирописсит 77,0 12,6 10,1 —- 9600 Богхед 80,3 12,1 5,8 0,9 9900 । Из табл. 2 видно, как постепенно увеличивается в разных видах топлива содержание углерода и уменьшается содержание кислорода. Такой процесс накопления углерода, или «обуглероживание», может привести в конечном итоге к почти чистому углероду, как, например, это имеет место у шунгита или графита. 15
По содержанию водорода в органической части твердые ископаемые топлива можно разделить на две группы: гумусовые угли (4—5% во- дорода) и битуминозные или сапропелитовые угли (8—9% водорода). Теплотворная способность топлива Органическая масса угля является основным фактором, определяю- щим теплотворную способность топлива. Сульфиды и дисульфиды ми- неральной части топлива выделяют при сгорании очень небольшое ко- личество тепла. Зависимость между количеством теплоты, выделяющейся при сгора- нии топлива, и элементарным составом органической части сложна и неодинакова для различных топлив. Наиболее просто эта зависимость выражается для тех видов топлива, которые содержат мало кислорода. Наоборот, чем больше содержание кислорода, тем труднее установить эмпирические формулы, связывающие теплотворную способность топ- лива с его элементарным составом. В основу одной из первых предложенных формул, выражающих зависимость •теплотворной способности топлива от его элементарного состава, было положено допущение, что кислород находится в топливе в форме гидроксила. Исходя из этого допущения, Дюлонг предложил уравнение: Q == 81,4 - С-|-341^Н — -^-) + 22,2S, (7) т. е. тепловой эффект водорода определяется только свободной его частью, не свя- занной кислородом н при горении выделяющей 341(Н—у) кал. Углерод и сера по допущению Дюлонга выделяют при сгорании столько же тепла, сколько они выде- лили бы, находясь в свободном состоянии. Эта формула нашла применение для таких топлив, как нефть и каменный уголь, содержащих мало кислорода. Теплотворная способность тех видов топлива, которые содержат большое количество кислородных соединений, выражается уравнениями, в которых коэфицнеиты подобраны эмпирически специально для данной группы топлива. К подобным уравнениям относятся, например, формулы: Менделеева 81С+ 300Н —26(0 — S); (8) Вондрачека Q (89,1 — 0,062Спрг’)С + 270 (Н — 0,10) + 25S; (9) «Союзная» (Германия) Qh = 81C-|-290(h—— 61Г4-258. (10) Штейер предложил формулу, в которой сделана попытка учесть существование различных форм соединений кислорода в топливе: Q = 81(С---+ 57 • ~ О + 345(Н - + 258. (11) \ о ) О \ 10/ Штейер считает, что только половина всего кислорода в топливе находится в виде соединений с водородом, а часть кислорода в топливе находится в виде карбонильной группы (СО), и поэтому из общего содержания углерода, могущего 2 сгорать до двуокиси углерода, вычитается-3-О. Тепловой эффект сгорания СО до о СО» увеличивают при этом на ту же В'еличииу. Так как указанные представления о химической природе соединений, входящих в органическую массу топлива, очень схематичны и упрощены, то и область приме- нения всех приведенных формул ограничена. Они приложимы только к углям, для которых был собран опытный материал, на основе чего и были подобраны числен- ные коэфициенты. Сопоставление теплотворной способности топлива, определенной в калориметрической бомбе, с аналитическим составом, служит для про- 16
верки по теплотворной способности элементарного состава, так как ме- тод калориметрического сожжения дает более надежные результаты, чем расчет по составу, особенно для многозольного топлива. Химический и петрографический состав углей главнейших месторождений СССР Аналитическая характеристика ряда ископаемых топлив СССР при- ведена в табл. 3. Из данных табл. 3 ясно, что Советский Союз богат разнообразными видами ископаемых твердых топлив. Микроскопическое исследование угольных шлифов позволило опре- делить и изучить петрографические составляющие (ингредиенты) орга- нической части углей. Внешний вид угля и его поведение при термической переработке определяются ингредиентами, входящими в его состав. По внешнему виду угли делятся на блестящие, матовые, полосчатые и сажистые (волокнистые). Блестящие угли слагаются преимущественно из витрена, матовые — из дюрена, сажистые — из фюзена. Полосчатые угли со- стоят из смеси плотно прилегающих друг к другу блестящих и мато- вых разновидностей. Приведенное деление схематично, так как очень редко встречаются угли, состоящие из одного витрена, дюрена или фюзена. Фюзен. По внешнему виду это вещество настолько напоминает дре- весный уголь, что его раньше называли «ископаемым древесным углем». Весьма часто он залегает в угле гнездами или линзами. Под микроскопом фюзен обнаруживает ясно выраженное клеточное строение (остатки растений). Часто стенки клеток фюзена сплющены. Это свидетельствует о том, что фюзен образовался из растительных остатков уже после того, как они попали в залежь. Такие остатки ра- стений и сейчас обнаруживаются в торфах и лигнитах. Нередко расти- тельное происхождение фюзена настолько хорошо выражено, что мож- но наблюдать даже годовые кольца. Фюзен мягок и мажется, как дре- весный уголь, почему и получил название сажистого угля. Элементар- ный состав фюзена меняется в зависимости от степени обуглероживания угля; как правило, фюзен содержит меньше водорода и почти всегда больше углерода, чем остальные петрографические составляющие угля. Иногда встречаются и такие угли, в которых уже совершенно сформи- ровавшийся фюзен (с характерным для него внешним видом) содержит меньше углерода, чем витрен и дюрен. В табл. 4 приведен элементарный состав фюзена, витрена и дюрена трех различных сортов угля. Фюзен характерен большой пористостью, нередко его клетки и по- ры заполнены минеральными веществами (кальцитом, пиритом). Он не содержит битумов, и если иногда дает при сухой перегонке весьма ма- лое количество смолы (дегтя), то только за счет не до конца разло- жившейся клетчатки. Фюзен не дает спекшегося кокса. Витрен. Витрен получил свое название благодаря блестящему виду. Прежде считали, что витрен бесструктурен и не имеет следов расти- тельной ткани. Однако, было установлено, что эта бесструктурность и однородность витрена наблюдаются только при небольших увеличениях. При сильном увеличении в приготовленных из блестящего угля шлифах можно легко обнаружить клеточное строение. Часто стенки этих клеток как бы размыты, благодаря чему получается впечатление, что они как бы начали растворяться в основном веществе витрена. Чем моложе уголь, тем яснее выражена эта клеточная структура. Особенно ясно видна клеточная структура витрена после его обработки раствором 2 Зак. ЭМО. Общая химии, технология тоЛгива. к ” 171,1 Г^Г*""**’*^ 17 Хни-• ч • -
Характеристика главнейших Район месторождения Наименование месторождения Сорт топлива * - 1 2 3 С л а в цы Ленинградская область . Куйбышевская область . Ульяновская область . . Вейнмарское .......... Кашнирское............ Ундорско-Захарьевское . Донбасс Урал ....... Кузнецкий бассейн Восточная Сибирь Казахстан . . . Дальневосточный край Грузия . . . . Северный Урал Сахалин . . . Средняя Азия Кизеловское . . . . Анжеро-Суджеиское Прокопьевское . . . Кемеровское . . . . Ленинское......... Черемховское . . . Карагандинское . . . Берчогурское. . . . Букачачинское . . . Тквибульское . . . Ткварчельское . . . Воркутское........ Октябрьское . . . . Сулюкта........... Кизил-Кия......... Кок-Янгак......... Шураб............. Нарын............. Каменные угли Длиннопламенные ......... Газовые.................. Паровично-жирные ........ Коксовые................. Паровично-спекающие . . . . Тощие.................. Антрацит................. Антрацит штыб ........... Бурые угли Подмосковный бассейн Ленинградская область Крым................. Украина . . . . • . я ............ Урал .... • . • . . Боровическое . Таврическое . . Александрийское Кировское . . . Криворожское . Челябинское . . Богословское . . Кивдинское . . Артемовское . . Бешуйское . . . 18
ТАБЛИЦА 3 видов топлив СССР Средний состав топлива в % QOpr. (тепло- творная способ- ность органи- ческой массы) в кал уорг. (выход лету- чих) В % 1ГЛ (влага в воз- душно- сухой (пробе] 4 Ас (зола в воз- душно- сухой пробе) S° (сера в воз- душно- сухой пробе) Сорг. (угле- род в орга- ниче- ской массе) j-jopr. (водо- род в орга- ниче- ской массе) sорг- (сера в орга- нической массе) N°pr- (азот в органи- ческой массе) Оорг. (кисло- род в органи- ческой массе) 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2,3 46,2+12,3 0,9 75,2 1,9 0,3 13,5 8100 83,0 4,3 57,3+ 9,2 5,1 71,1 8,5 14,0 1,6 4,8 7860 79,0 6,3 63,2+ 7,3 3,5 68,2 8,7 10,5 1,5 Н,1 7200 — 5,2 И,2 3,6 77,3 5,4 3,8 1,6 11,9 , 7800 44,0 2,8 11,1 2,9 81,0 5,4 3,2 1,6 5,8 8100 39,0 1,1 11,4 2,5 84,6 5,2 2,6 1,6 6,0 8470 30,5 1,0 10,7 2,0 87,0 4,9 2,1 1,6 4,4 8590 22,0 0,8 9,7 2,1 88,5 4,6 2,2 1,5 3,2 8590 17,0 1,0 8,5 1,5 90,6 4,3 1,6 1,6 1,9 8620 13,0 2,0 9,7 1,9 93,8 1,95 0,7 1.2 1,05 8200 3,5 2,0 17,3 1,8 93,2 1,85 0,7 1,2 1,75 8100 4,0 1,2 22,7 6,3 80,3 5,6 2,8 1,3 4,9 8370 41,0 0,6 9,0 0,5 91,2 4,3 0,5 1,8 2,2 8600 15,5 1,7 7,0 0,5 89,1 4,5 0,5 2,1 3,8 84С0 18,0 1,0 13,7 0,5 86,4 4,8 0,6 2,0 6,2 8200 29;0 1,8 9,0 0,5 83,5 5,8 0,5 2,7 7,5 8250 41,0 3,7 16,0 1,3 77,9 5,8 1,4 1,6 13,3 7750 45,0 2,1 17,5 0,8 85,3 5,2 0,8 1,4 7,3 8350 29,0 1,5 33,0 4,4 78,5 6,4 6,3 1,8 — 8240 46,0 3,8 11,1 0,9 79,1 5,0 0,8 1,0 14,1 7760 37,0 4,0 18,5 1,4 78,5 5,7 1,5 1,5 12,8 7780 41,0 1,0 18,0 1,0 77,5 5,8 1,1 1,7 13,9 7750 37,0 1,3 11,9 0,7 85,6 5,3 0,7 2,4 6,0 8440 29,0 1,7 13,3 0,4 85,8 4,4 0,4 9,4 — 8250 19,0 11,2 11,8 1,1 78,5 3,8 0,2 0,8 16,1 7070 28,5 И.2 13,5 1,7 76,9 4,0 0,5 0,9 16,6 7010 33,5 5,5 20,4 2,0 77,8 5,2 0,7 1,0 14,1 7550 36,0 11,5 13,8 2,0 78,8 3,5 0,6 0,8 14,7 6950 29,5 5,5 8,7 0,5 79,8 4,9 0,5 1,2 13,6 7650 35,0 8,0 26,8 3,7 69,7 4,9 5,1 1,4 18,9 . 6750 45,0 6,5 28,0 7,7 68,5 5,7 10,3 1,0 14,5 7230 49,0 8,5 10,7 0,5 75,2 5,6 0,4 1,6 17,2 7300 41,5 10,0 26,0 4,4 66,4 5,9 3,6 0,7 21,4 6500 56,5 10,0 46,0 3,1 62,5 5,3 3,5 0,9 26,7 5730 55,5 9,0 23,0 5,5 69,8 6,2 6,6 0,9 16,5 7300 60,5 9,0 19,2 1,2 73,6 5,2 0,7 1,8 17,9 7150 41,0 15,0 17,5 0,5 69,5 4,4 0,5 1,5 24,1 6250 43,0 10,6 13,1 0,2 71,5 4,2 0,1 1,2 23,0 6610 41,0 11,3 11,1 0,5 71,9 5,5 0,4 1,5 20,7 7050 48,0 2,2 41,0 2,6 76,4 5,9 1,6 1,3 12,4 7760 44,0 2* 19
ТАБЛИЦА 4 Элементарный состав фюзена, витрена и дюрена трех различных сортов (угля в °/0) Эле- менты I II III фюзен витрен дюреи фюзен витрен дюрен фюзен витрен дюрен с 90,5 84,7 86,9 90,0 84,9 85,9 73,5 85,5 86,2 н 3,3 5,1 5,3 ’ 3,3 5,17 4,8 3,2 5,2 5,2 о 5,6 8,2 6,2 6,0 2,9 7,8 18,7 5,8 5,3 хромовой кислоты. Штахе показал, что у некоторых образцов витрена наблюдалась сплющенность клеток, обусловленная тем, что раститель- ное вещество до обуглероживания подвергалось боковому давлению и что оболочка клеток еще до начала ее обуглероживания подвергалась пептизирующему действию основной массы минерала, в которую она была погружена. Витрен представляет собой материал, занимающий среднее положе- ние между фюзеном и дюреном, как по составу (табл. 4 и 6), так и по физическим свойствам (табл. 5). ТАБЛИЦА 5 Физические свойства фюзена, витрена и дюрена Наименование ингредиентов Удельный вес Коэфициенг спека- емости Внешний вид и высота королька Цвет Фюзен .... 1,495 0 Порошок Черный Витреи .... 0,72 4—9 Твердый высокий гриб Серый, серебри- стый Дюрен .... 0,86 8 Слипшаяся лепешка Матово-черный ТАБЛИЦА 6 Выход продуктов сухой перегонин из фюзена, витрена и дюрена Наименование ингредиентов Выход в °/0 дегтя кокса воды разложения ЗОЛЫ Фюзен 3,6 89,3 4,8 2,66 Витрен 7,7 55,7 8,8 0,72 Дюрен ....... 12,1 62,3 5,9 0,86 Дюрен. Имеет матовый вид. Уже при небольшом увеличении в нем можно ясно обнаружить неоднородную структуру. Он образован как бы из двух элементов, причем основная масса сильно разложена и бес- структурна, мало прозрачна даже в тонких шлифах; в нее включены желтые прозрачные скопления в виде остатков спор, кутикул, смоляных телец и т. д. Основным физическим свойством дюрена является его твердость, откуда этот ингредиент и получил свое название. Кларен. При описании угольных ингредиентов Стопе кроме фюзена; дюрена и витрена отметила наличие в углях и четвертого составляющего кларена, кото- рый вследствие полублестящего вида легко может быть отсортирован от остальных 20
трех. По физико-химическим свойствам кларен занимает среднее положение между дюреном и витреном. Поэтому некоторые исследователи считают, что кларен пред- ставляет собой тесную и трудно разделимую смесь витрена и дюрена. В описание поведения углей при их переработке введение клареиа не вносит существенно нового. Поэтому чаще ограничиваются при описании угольных ингре- диентов только вышеназванными тремя составляющими. Роль петрографических составляющих угля при его обогащении. Как видно из „табл. 7, наиболее засоренным ингредиентом является фюзен. При сухой перегонке фюзена выход смолы (дегтя) значительно ниже, чем при сухой перегонке прочих составляющих угля. Фюзен не дает спекающегося кокса. Он легко крошится и дает большое количество мелочи. Поэтому при сильном измельчении угля довольно легко отде- лить фюзен от других составляющих угля, так как удельные веса по- следних значительно различаются, в зависимости от степени их обугле- роженности и зольности. Содержание золы в % Удельный вес Витрен . . . . . 0,72 1,286 Дюрен . . . . . 0,86 1,293 Фюзен . . . . . . 2,66 1,495 Расхождение в удельном весе у этих ингредиентов достаточно ве- лико и при обогащении угля отделение зольного фюзена будет проис- ходить довольно легко. Удаление фюзена при обогащении наряду со снижением зольности концентрата сильно повышает спекаемость угля. Многочисленные анализы золы ингредиентов угля обнаружили, что параллельно с повышенной зольностью в фюзене наблюдается скопле- ние наиболее вредных для металлургического кокса элементов — серы и фосфора. Следовательно, и здесь желательно удаление фюзена. Однако некоторое содержание фюзена в угле благотворно влияет при коксовании. Составные части ископаемых углей, выделяемые при обработке растворителями Данные элементарного и технического анализов преимущественно отвечают на вопрос, насколько топливо пригодно для энергетического использования, для оценки же поведения топлива при его химической переработке этих данных мало. Только после сопоставления результа- тов длительного и тщательного изучения поведения топлива при его промышленной переработке, например, при коксовании, с многочислен- ными анализами переработанных топлив, нашли некоторую связь между элементарным составом топлива, выходом летучих веществ и его коксующей способностью. Потребовались более совершенные научные методы определения при- годности углей для химической переработки. Наиболее изучены и раз- работаны советскими исследователями методы определения применимо- сти углей для коксования. В Донбассе весьма долго осуществляли под- бор шихты для коксовых печей, исходя из выхода летучих. Однако этот метод оказался слишком примитивным, совершенно непригодным для других бассейнов, да и для весьма многих углей Донбасса не- удовлетворительным. Потребность в расширении сырьевой базы и необходимость улучше- ния качества и увеличения выходов продуктов улавливания привели к более углубленному изучению топлив. Одним из методов исследования (торфов, бурых и каменных углей) является обработка топлива раствори- телями. Каждый из растворителей переводит в раствор только часть 21
органического вещества топлива. В результате создается возможность судить о химической природе топлив и изучить отдельные их химиче- ские соединения в смеси последних. Исследование составных частей твердых ископаемых топлив, выде- ленных растворителями, объясняет поведение топлива при пирогенети- ческом разложении. Так, судя по содержанию битумов, можно выбрать пути переработки углей методом полукоксования. Большое содержание некоторых видов битумов в бурых углях указывает на возможность извлечения из последних горного воска, парафина и т. д. Все многочисленные химические соединения в топливе можно раз- бить на три основные группы: 1) битумы; 2) гуминовые кислоты и 3) остаточный уголь. Битумы и их состав Битумами называется смесь органических веществ топлива, раство- римая в нейтральных органических растворителях (бензоле, эфире, хло- роформе, бензине, сероуглероде, тетралине, декалине и др.). Количество и качество битумов зависят от природы растворителя и от условий из- влечения. Так, Штейер указывает, что рибековский бурый уголь (Герма- ния) при экстрагировании ацетоном дал 7,6% битума, бензол при тем- пературе кипения растворил 14,2%, а тот же бензол, при экстрагирова- нии под давлением при 250—260°, растворил уже 25% битумов. Неко- торые виды топлива, например, торф, бурый уголь, вследствие большого содержания гуминовых кислот, иногда дают битумы, загрязненные гу- миновыми кислотами (особенно при применении в качестве растворителя спирта или спирто-бензольной смеси). Зависимость выходов битума от температуры и природы раствори- теля привела к предположению о существовании разных видов битумов: битумы, растворимые в бензоле или смеси бензола и спирта при темпе- ратуре кипения, получили название битумов А. Если топливо после такой обработки подвергнуть экстрагированию бензолом в автоклаве при тем- пературе 200—250°, то извлекается еще некоторое количество биту- мов, которые было предложено назвать битумами В. Вопрос о полном извлечении битумов растворителями представляет большой интерес, особенно для суждения о получении кускового кокса. Поэтому был предложен ряд других растворителей (пиридин, ани- лин, хинолин, фенолы и т. д.). Эти растворители, кроме собственно биту- мов, экстрагируют вещества, име- ющие кислую реакцию (напри- мер производные фенола и гуми- новые кислоты угля), или дают коллоидные золи. Указанные рас- творители экстрагируют значи- тельно большее количество биту- ма. При экстрагировании хиноли- ном получается до 47% экстракта, фенол дает до 40% битумов. Экстрагируя угли различными растворителями под давлением при температуре 350°, получают до 94,8% экстракта на органи- ТАБЛИЦА7 Влияние природы растворителя на выходы экстракта Растворитель Выход экстракта в % от угля от органиче- ской массы Пиридин .... 36,1 39,8 Фенол 59,7 65,8 Нафталин .... 63,9 70,5 Антрацен .... 86,1 94,8 ческую массу угля (табл. 7). Большие выходы битумов получаются при экстракции угля поли- циклическими углеводородами: при нормальном давлении нафталин из- влекал из углей Донбасса до 35% битума, а тетрагидронафталин под давлением при 300° до 32%. 22
Таким образом, применяя нейтральные растворители, можно значи- тельно повысить выход битумов. При обработке углей растворителями при повышенных температу- рах начинается разложение органической массы угля, что можно кон- тролировать, наблюдая за газовыделением. Если при экстракции (под давлением) в автоклаве давление не повысилось после окончания про- цесса, то можно считать, что разложение не шло. Когда экстрагиро- ванная часть угля и уголь имеют один и тот же состав, это указывает на коллоидный характер экстракции. Битумы топлива являются смесью веществ разнообразного хими- ческого состава. Чаще всего битумы делят на две составные части — «восковую» и «смоляную». Битумы бурого угля, полученные при эк- стракции битуминозных углей бензолом или спирто-бензолом, разде- ляют на «горный воск» и «горную смолу». Такое деление на «воски» и «смолы» имеет значение потому, что химически эти две составные части битумов различны. Воски отно- сятся к группе жирного ряда, а смолы большей частью к циклическим соединениям (нафтены, терпены и соединения ароматического ряда). Более точное, но далеко не полное представление можно получить хотя бы из перечисления соединений, входящих в состав этих под- групп. Восковая часть битумов содержит собственно воски, т. е. сложные эфиры высокомолекулярных жирных кислот и спиртов. Примером таких соединений является эфир моитановой кислоты и мирицилового спирта С3оНв1СООС28Нб7 и другие эфиры такого же высокомолекулярного состава. К этим эфирам примешаны свободные кислоты (от СлНиСООН до СззНвзСООН) и спирты (цт С24Н49ОН до CsiHesOH). Кроме этих соединений восковая часть содер- жит и другие вещества, хотя и в очень небольшом количестве, например: кетон монтанон (СзтНаОэСО. В воске содержатся в небольшом количестве предельные и непредельные угле- водороды: С15Н20, CljHjg, С2!Н4В, С3(1Н(;2, и др. К группе же восков нужно отнести вещества, составляющие оболочку спор и пыльцы, остатки которых в большом количестве находятся в каменных углях; вхо- дящие в эти оболочки вещества (кутин и суберин) при омылении дают так же, как и воски, кислоты и спирты. Промежуточными веществами между восками и смолами являются: соединения типа стеринов (циклические соединения полиметиленового ряда, типичным предста- вителем которого является холестерин) и полициклические многоатомные спирты спорополенины (вещество оболочек спор). Восковая часть битумов обнаружена в молодых кислородсодержащих углях. В старых каменных углях воски изменились; они потеряли кислород и перешли в углеводороды. Смоляная часть битумов представляет собой смесь ароматических и гидроаро- матичесюих соединений (гидроурошиол, пиноабиетиновая кислота, производные ретена, гваяковая смола и др.). Смолы так же стойки, как и воски, и сохраняют свою основную структуру при глубоком обуглероживании углей. Соотношение воско- вой и смоляной частей битумов в различных видах топлива неодина- ково. Так, в битуме, извлеченном из торфа, смоляная часть составляет около 30% от веса битума. В бурых углях Украины количество смол по отношению к выделенным битумам колеблется от 20 до 44%, а вос- ков— от 30 до 55%. При экстрагировании бензолом под давлением при температуре 270° извлекается битум, названный битумом В. Этот битум по раство- римости в петролейном эфире разделяется на маслянистый и твердый. Такое деление дало возможность предложить объяснение процесса по- лучения металлургического кокса. Твердым битумом называется твер- дый нерастворимый осадок, который выделяется из спирто-бензольной 23
вытяжки при разбавлении ее петролейным эфиром. Часть же битумов остается в таком разбавленном бензольном растворе и после испарения растворителя имеет вид маслообразной, более или менее вязкой жид- кости, получившей название маслянистого битума. Количество масля- нистых битумов по сравнению с количеством твердых битумов, по мере старения угля и накопления в нем углерода, абсолютно умень- шаясь, относительно растет. Так, по данным Агде и Линкера в жир- ном угле отношение маслянистого битума к твердому было 47 :62, а у антрацита 50 : 10. Еще более глубокое деление битумов, полученных экстрагированием бензолом под давлением, предложил Бон. Он разделил твердые биту- мы на растворимые и нерастворимые в этиловом спирте. В итоге этим способом можно получить уже четыре фракции, исследование которых поможет выяснить роль битумов в процессах коксования. Уилер с сотрудниками применил для экстракции углей пиридин, так как считает, что в пиридине не растворяется гуминовая часть уг- лей, обозначенная им как «-соединения или ульминовые соединения. Растворимые в пиридине битумы делятся, в свою очередь, на две ча- сти: на нерастворимые в хлороформе ^-соединения и растворимые в хлороформе у-соединения. а- и p-соединения представляют собой неплавящуюся массу, пюхо- • жую по внешнему виду на исходный уголь. у-Соединения (у-битумы), плавящиеся при 90—100°, представляют собой массу красно-бурого цвета. у-Соединения близки по составу к той части битумов, которая носит название «маслянистых». Роль битумов в процессах термической переработки топлива. Битумы топлива является основным веществом, дающим при сухой перегонке топлива смолу (деготь). Если остальная, небитуминозная часть угля может давать деготь, то в таком незначительном количестве, что воз- никает сомнение, не явилось ли это образование дегтя .результатом неполного выделения битумов. Эта роль битумов в процессе дегтеоб- разования видна как из опытов раздельной перегонки составных групп угля — битумов, гуминовых веществ и остаточного угля, так и из на- блюдений над составом первичных смол (дегтей), получаемых при осто- рожной перегонке топлива при низких температурах. Пикте при перегонке каменного угля в высоком вакууме получил около 4% дегтя, который состоял на 98% из углеводородов, из них 30% насыщенных. Шнейдер, подвергая перегонке при 500° уголь, содержавший 23% битумов, извлекаемых бензолом, получил 22,3% дегтя. При раздельной сухой перегонке выделенных битумов и обезбитуминированного угля было получено соответственно 17 и 5,3% дегтя. Так как бензол экстра- гирует из угля не все количество битумов, то и 5,3% дегтя, получен- ного из лишенного битума угля, могли образоваться за счет неудален- ных битумов. Таким образом, главным дегтеобразователем при сухой перегонке являются битумы. Перегонка битумов, выделенных из углей, дает в среднем от 70 до 85% дегтя. Менее ясно выражено свойство битумов сообщать углю способность спекаться и давать кусковой кокс. В настоящее время еще не сущест- вует методов экстракции, обеспечивающих полное удаление из угля битумов. Следовательно, не установлено, когда уголь теряет способ- ность спекаться вследствие удаления битумов. Некоторые угли уже после обработки их бензолом под давлением утрачивают способность давать спекающийся кокс. Другие же не теряют способности спекать- ся даже после экстракции их пиридином. Это зависит от того, что с увеличением молекулярного веса угле- водородов их способность растворяться в органических растворителях 24
падает. Например, уже такой углеводород, как декациклен СзвНтв, имею- щий темп. пл. 387° и мол. вес 450, не растворяется в обычных раство- рителях. В настоящее время известен углеводород с гораздо большим молекулярным весом (около 3300), имеющий состав (CisHsX. и плавящийся при 350°, раствори- мость которого еще меньше. Такие высокомолекулярные ароматические углеводороды, являясь битумами, остаются в угле после его экстрагирования и могут сообщать углю способность спекаться. Здесь как бы стирается различие между остаточным углем и битумами. Изучение выделенных битумов усложняется тем, что битумы, выделенные экстрагированием, находятся не в состоянии истииного раствора, а в сильно диспер- гированном виде; это видно из того, что экстракты и остаточный уголь иногда, имеют один и тот же элементарный состав (табл. 8). ТАБЛИЦА 8 Элементарный состав экстрактов н остаточного угля (в %) Опы- ты Наименование С Н N S О I Остаточный уголь 81,9 5,8 1,5 1,3 9,4 Фенольный экстракт 81,4 5,9 1,3 1,3 9,4 II Остаточный уголь 80,1 5,8 1,6 Пиридиновый экстракт .... 80,0 6,6 — 2,2 — Процесс изменения битумов, происходящий при старении угля, сопровождается наблюдается не во всех случаях, все же по данному примеру можно заключить, что здесь имеет место явление диспергирования угля, а отделение битумов от- остаточного угля не произошло. Невозможность полного удаления из угля его битуминозной части мешает пока точно и полно установить, какую роль играет остаточный уголь в образовании кус- кового кокса. Свойства битумов, извлеченных из торфа, бурого и каменного угля, как видно из табл. 9, различны. ТАБЛИЦА 9 Свойства битумов, извлеченных из различных видов топлива Свойства Битум, извлеченный из торфа бурого угля каменного угля Температура плавления в °C . 70-110 70- 80 80—100 Содержание углерода в °/0 . . 70—72 77-80 80—85 „ водорода в % . 8—10 9—12 6—9 Кислотное число 1 35-80 10—70 До 40 Число омыления 1 60—200 40—260 До 40 Иодиое число 1 15—30 15-40 Больше 100 Содержание воска в % . . • . 50 Меньше 50 0 Процесс изменения битумов, происходящий при старении угля, сопровождается накоплением углерода, уменьшением содержания водорода, увеличением содержания непредельных соединений и полной потерей так называемых восков. В этом нужно добавить, что по мере старения углей понижается содержание экстрагируемых бен- золом битумов, но растет относительное количество маслянистой части в них. Гуминовые кислоты При обработке лишенных битумов некоторых видов топлив (торфов и бурых углей) слабым раствором щелочи раствор окрашивается в тем- нобурый цвет. Из этого окрашенного раствора при подкислении выпа- дает красновато-коричневый осадок гуминовых кислот. Так как кис- 25.
лоты в угле частично находятся в виде солей, то их выход увеличи- вается, если уголь предварительно обработать раствором! кислоты. Содер- жание гуминовых кислот до некоторой степени связано с химическим и геологическим возрастом топлива. Больше всего растворимых гуми- новых кислот в торфе, несколько меньше в бурых углях и вовсе нет в каменных углях. Некоторые твердые ископаемые топлива (например бурые угли и хорошо разложившийся торф) состоят только из гуминовых кислот и битумов. Физико-химические свойства гуминовых кислот. Выделенные при подкислении из щелочной вытяжки углей гуминовые кислоты обладают всеми свойствами коллоидного состояния. При тщательном промыва- нии их для удаления минеральных примесей они начинают пептизиро- ваться и переходить в раствор в виде очень тонкой дисперсии. Эта спо- собность к пептизации препятствует полной отмывке гуминовых кислот от минеральных примесей. Гуминовые кислоты адсорбируют органические вещества, загряз- няются ими, вследствие чего элементарный состав гуминовых кислот, выделенных различными методами, неодинаков. Однако гуминовые кис- лоты, приготовленные различными способами из разнообразных видов топлива, обнаруживают много общего в своем составе и в химических и физико-химических свойствах. Гуминовые кислоты пептизируются в органических растворителях, имеющих основной характер, и дают коллоидные растворы. Так, напри- мер, гуминовые кислоты бурых таблица ю уГЛей легко переходят в раствор Элементарный состав гуминовых кислот при обработке пиридином, ацета- разлнчного происхождения мидом и др. Происхождение Содержание в жат азота, если они хорошо про- гуминовых кислот С Н N мыты и получены из угля, содер- Из торфа .... Из кассельского бурого угля . Из гниющего де- рева .... гать 3—-4%. Э 59,6 59,5 60,6 цемента] 4,8 4,7 3,7 )НЫЙ жащего малое количество азота. 1,0 При получении гуминовых кис- лот обработкой угля раствором — аммиака или если само топливо (торф, сапропель) содержит азот, получаются вещества, у которых содержание азота может дости- состав гуминовых кислот различного про- исхождения приведен в табл. 10. Гуминовые кислоты обладают ясно выраженной кислотностью. Они разлагают соли угольной, уксусной и фосфорной кислот. Так, например, при обработке гуминовых кислот раствором уксуснокислого кальция по реакции: 2НишН + Са(СН3СОО)2 —► Ca(Hum)2 + 2СН3СООН (где «Нит» обозначает радикал гуминовых кислот) можно по количеству выделив- шейся уксусной 'кислоты определить количество гуминовых кислот. При этом для пересчета принимают, что эквивалентный вес гуминовых кислот равен 350. При определении эквивалентного веса гуминовых кислот титрованием их рас- твором едкого натра получаются более низкие числа, а именно 175. Такое расхожде- ние может быть объяснено присутствием в молекуле гуминовых кислот двух видов гидроксила: фенольных и карбоксильных. Все приводимые в настоящее время значения молекулярного веса гуминовых кислот близки к 1400. Но если учесть, что гуминовые кислоты имеют ярко выра- женный коллоидальный характер, то нужно предполагать, что действительная вели- чина молекулярного веса много выше. Химическая структура гуминовых кислот пока еще не установлена. Фенольная природа гуминовых кислот принимается, во-первых, на основании различного характера кислотности гидроксилов, сказавшегося в различных экви- 26
валентных весах — 350 и 175: (в первом случае титровались все восемь кислых гидроксилов, во втором — только четыре); во-вторых, па основании способности бу- рых углей (содержащих только битумы н гуминовые кислоты) при окислении (под давлением) кислородом воздуха в присутствии щелочи или раствором перманганата калия давать в числе других кислот бензолполикарбоновые кислоты. Из 65—69 атомов углерода, входящих в состав молекулы гуминовой кислоты, более или менее точно определен химический характер только для двенадцати. Для основного ядра гуминовых кислот принимают пиреновую группировку: О сн?сн2 но —с с с—соон II I I но —с с cZ ^соон С С I! I СН3О —с с \^\ /Н с с' I I ^соон О СИ ''с'н При конденсации различного числа этих группировок образуются большие мо- лекулы гуминовых кислот. Изменение содержания гуминовых кислот при старении углей. Ста- рение углей сопровождается потерей ими способности растворяться в органических растворителях и растворе едкой щелочи. Таким образом происходит видимое уменьшение содержания битумов и гуминовых кислот и нарастание количества остаточного угля. В каменном угле кислород входит в соединения в карбонильной форме и, вероятно, в форме циклического кислорода. Если допустить, что гуминовые кислоты имеют ароматический характер, то потеря ими способности растворяться в щелочи может быть схематически предста- влена таким образом: О II ч^/СООН но\/ \/с\/ I + I —> I I о.2. НООС7"4 //ЧчС/Х' II о Этот процесс потери кислорода идет в залежи угля за счет деятель- ности анаэробных бактерий. Таким образом, остаточный уголь, потеряв карбоксильную группу, не может при сплавлении в дальнейшем с едкой щелочью снова полу- чить способность переходить в раствор. Гуминовые кислоты окисленных углей. Каменные угли, не раство- ряющиеся в водном растворе едкой щелочи, при более или менее дли- тельном окислении кислородом воздуха приобретают способность рас- творяться в щелочи и при подкислении выделять из раствора осадок, внешне сходный с гуминовыми кислотами. При таком окислении камен- ные угли теряют способность давать спекающийся кокс. 27
Пробы угля, взятые из различных мест одного и того же пласта карагандинских каменных углей, показали различное отношение к рас- твору едкой щелочи. Образцы, взятые на глубине 18 м от поверхности земли, давали 2% гуминовых кислот и порошкообразный кокс, а уголь,, отобранный на глубине 68 м, вовсе не содержал гуминовых кислот и давал прекрасный сплавленный королек кокса. Гуминовые кислоты, выделенные из окисленных углей, имеют отлич- ные от настоящих гуминовых кислот элементарный состав и эквивалент- ный вес. Их нельзя считать регенерированными гуминовыми кислотами.. Остаточный уголь Остаток после выделения из углей битумов и гуминовых кислот на- зывается остаточным углем. Его количество увеличивается со старе- нием угля. Остаток после обработки торфа раствором щелочи и органи- ческими растворителями состоит из форменных, неразложенных элемен- тов. Состав и физико-химические свойства остаточного угля мало изу- чены. У неспекающихся углей остаточный уголь представляет собой смесь веществ, при нагревании без доступа воздуха разлагающуюся уже при температуре около 300° и имеющую вид порошка. Остаточный уголь спекающихся углей в некоторых случаях не спекается и дает порошкообразный кокс, в других случаях, наоборот, несмотря на удале- ние битумов из угля, он сохраняет способность к спеканию. Классификация твердых ископаемых топлив Поведение углей при их переработке является функцией сложного- состава их. Химическая природа многообразных соединений, входя- щих в состав углей, до сих пор далеко еще не расшифрована. По- этому в настоящее время еще нет данных для рациональной класси- фикации топлив, отражающей полную характеристику всех разновид- ностей их. Более или менее удовлетворительно разрешена только по- попытка классификации каменных углей. Но и здесь классификация позволяет, главным образом, ответить на вопрос, пригоден ли уголь- для коксования. Классификация Грюнера и классификация углей Донбасса В основу классификации каменных углей, предложенной Грюне- ром, взяты элементарный Теплотворная способность в мал Рис. 1. Классификация Парра. состав угля и выход (количество) кокса.. Примерно те же признаки положены и в основу нашей классификации углей Дон- басса. Эти две классификации приведены в табл. 11 и 12. Классификация по Парру Для северо-американских углей Парр- составил график, выражающий зависи- мость между содержанием летучих веществ, и теплотворной способностью (рис. 1). Он разбил прямоугольник на семь по- лей, каждое из которых отвечало опреде- ленной группе углей. Поле А соответствует антрацитам, В — полуантрацитам или полу- битуминозным углям, С — битуминовым углям, D — кеннельским углям, Е — битуминозным углям, F — субби- туминозным углям и G — лигнитам (бурым углям). В отличие от нашей номенклатуры в Англии и США каменные угли называются битуминозными углями. 28
ТАБЛИЦА 11 Классификация углей по Грюнеру класса Элементарный состав углей в % Тип углей । ноше- Выход ко' кса (неле- п тучего Характер кокса * С | Н О . — । остатка) в % [ Сухие с длинным пламенем . . 75 -80 5,5—4,5 19,5—15 Жирные или га- зовые с длин- II 4-3 50-60 Порошкообраз- ный III ным пламенем 80—85 5,8— 5 14,2—10 Кузнечные или 3-2 60-68 Сплавленный, сильно вспу- ченный и рас- трескавшийся IV жирные . . . 84—89 5,5—5 11—5,5 Коксовые или жирные с ко- ротким пла- 2—1 68 -74 Сплавленный уме- ренно плотный V менем .... 88 5,5 6,5 Тощий или антра- 1 74-82 Сплавленный, очень плотный питовый . . . 90—95 4,5-4 5,5—3 1 82—90 Едва слипшийся или порошко- образный ТАБЛИЦА 12 Классификация донецких углей Тип углей Элементарный состав в °/0 Содержа- Марка ние лету- чих в °/0 Характер кокса С Н О Длиннопламенный 75—86 5,6 -6,4 17,5—10 Д Более 42 Порошкообразный или слипшийся Газовый Паровично-жир- 78-89 4,8—6,3 16,0—6,8 Г 35-44 Спекшийся, рыхлый ный 84-90 4,6—6,0 10,8—5,0 ПЖ 26—35 Спекшийся, умерен- но плотный Коксовый .... Ларовично-спе- 87-92 4,4—5,5 8,0—3,1 К 18-26 Сплавленный, умерен- но плотный кающийся . . 89—94 4,1-5,2 6,0-2,1 ПС 12-18 Сплавленный, уме- ренно плотный Гощий 90—95 3,7—9,0 4,6-1,6 т Менее 12 Порошкообразный или слипшийся Существует еще ряд классификаций углей, менее распространен- ных, чем указанные выше. На практике отличают технические классификации от всяких иных (например помарочной торговой классификации). Техническая классификация каменных углей Донецкого бассейна была утверждена Советом Труда и Обороны в 1929 г. Она содержит 'наименование марок, обозначение каждой марки, выход летучих веществ на горю- чую массу и характеристику нелетучего остатка. В Донецком бас- сейне принята та же специальная торговая маркировка антрацитов, делящая их на 7 сортов. Угли маркируют по размерам их кусков: 1) плита и крупные куски больше 100 мм; 2) крупный орех 100—25 ми; 3) мелкий орех 25—13 мм-, 4) семячко 13—6 мм; 5) штыб 6—0 мм. 29
ГЛАВА 2 ПРОЦЕССЫ ПИРОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ИСКОПАЕМЫХ ТОПЛИВ Ступени пирогенетической переработки твердых топлив При нагревании твердого топлива без доступа воздуха происходит более или менее глубокое разложение его с образованием летучих и нелетучих продуктов. Характер этого разложения зависит от при- роды и состава топлива, температуры и условий переработки. Схе- матически процесс пирогенетической (или термической) переработки топлива по степени глубины переработки, можно расположить в та- ком порядке: 1) подсушка; 2) бертинирование; 3) низкотемпературно^ коксование (полукоксование); 4) высокотемпературное коксование; 5) безостаточная газификация. Гораздо глубже идут изменения состава и свойств топлива при его переработке методом гидрогенизации, когда термическая обра- ботка происходит в атмосфере водорода при повышенных давлениях в присутствии катализатора. Подсушка топлива Термическая переработка топлива начинается его подсушкой. Так- как в топливе кроме гигроскопической имеется коллоидно-связанная вода, то подсушка заканчивается при температуре выше 100°. У не- которых видов топлива (торф, лигниты) окончательное выделение этой коллоидно-связанной воды заканчивается при температуре около 110—115°. Четко установить температуру начала пирогенетического разложения нельзя, так как разложение богатого гуминовыми веще- ствами топлива может начаться и при температуре несколько ниже 100°. Разложение топлива при процессе подсушки проявляется в сла- бой степени, в виде едва заметного газовыделения. Сушка топлива в атмосфере воздуха сопровождается окислением. Бертинирование Начавшееся газообразование усиливается с повышением темпера- туры. При 200—250° количество выделенного газа может составлять 2—2,5% от взятого топлива. Выделяющийся газ состоит, главным образом, из двуокиси углерода и воды. Выше 200° начинается выде- ление также и сероводорода. В итоге, теряя кислород, уносимый в виде водяных паров, дву- окиси и окиси углерода, топливо значительно обогащается углеродом, как это видно из табл. 13. В результате процесса бертинирования топлива его теплотворная способность повышается почти в три раза. 30
ТАБЛИЦА 1 Обогащение углеродом бурого угля в процессе бертинирования (в %) Состав угля С Н O + N S Вода (UZ) Зола (А) Q в кал!кг Теплотворная способность До бертинирования После бертинирования рабочее топливо 23,37 2,00 14,68 0,54 56,09 3,23 2110 в пересчете на сухой вес 53,3 4,6 33,7 1,0 7,3 рабочее топливо 69,3 4,12 13,9 0,91 6,4 5,3 6290 в пересчете на сухой вес 74,3 4,4 14,7 0,9 5.6 В промышленно осуществленном процессе получается продукт, на- зываемый «карбоцит». Бертинирование угля. почти всегда сопровождается также измене- нием и битуминозной части топлива. Энглер показал, что после прогрева уголь дает больше экстраги- руемых битумов, чем до этого прогревания и количество пиробиту- мов, т. е. битумов термического разложения, получившихся в про- цессе бертинирования, увеличивается в несколько раз. Изучение свойств пиробитумов может пролить свет па процессы образования кускового кокса. Полукоксование (низкотемпературное коксование) С повышением температуры переработки топлив, особенно после 400°, количество образующихся газов сильно возрастает. При температуре около 350° вместе с неконденсирующимися га- зами топливо начинает выделять конденсирующиеся продукты в виде паров дегтя (смолы), количество которых все растет, достигая мак- симума при температурах около 500—550 \ Эта температура обычно и считается оптимальной температурой полукоксования. Деготь, полу- ченный при этой температуре, называется первичным. Если его быстро вывести из зоны нагрева, то он не успеет подвергнуться дальнейшему, вторичному разложению от действия температуры. В остатке при процессе полукоксования получается полукокс, со- держащий еще большое количество летучих. Неспекающийся уголь дает полукокс с малой механической прочностью, иногда даже порошковидный. Спекающиеся угли дают полукокс довольно большой механической прочности. Газ полукоксования содержит сравнительно большое количество углекислоты, предельных и непредельных углеводородов. Получающийся при процессе полукоксования полукокс содержит значительное количество водорода. Высокотемпературное коксование Термическое разложение топлива без доступа воздуха при темпе- ратурах выше 800° называется коксованием. Перерабатываемое без доступа воздуха топливо последовательно при повышении темпера- туры нагрева проходит через те же стадии разложения, которые ука- заны выше. В громадном большинстве случаев конечной целью высокотемпе- ратурного коксования является получение твердого продукта — кокса, 31
обладающего прочностью, твердостью, пористостью и другими свой- ствами металлургического кокса. Для получения металлургического кокса применяют спекающиеся угли. До коксования топливо проходит зону полукоксования, где спе- кающееся топливо сначала переходит через пластическую стадию, а затем затвердевает, образуя полукокс, содержащий значительное ко- личество летучих веществ. Температура 500—550° является максиму- мом для выделения конденсирующихся продуктов полукоксования (дегтя). Нагревание полукокса выше температуры 550° приводит к даль- нейшему выделению летучих веществ и увеличению (до 96—97%) содержания углерода в твердом остатке. Хорошо прококсованный кокс содержит обычно от 0,5 до 1,5% летучих веществ. Только в исключительных случаях при промышленном коксовании применяют один сорт угля. В большинстве же случаев приходится коксовать смесь углей, составляя из них шихту. Способ подготовки шихты («шихтовки» или «шихтования») определяется двумя обстоя- тельствами: необходимостью получить однородный кокс, обладающий достаточной твердостью, и обеспечить повышенные выходы коксо- вого газа и химических продуктов коксования. Спекаемость угля. Численное выражение способности коксующе- гося угля в смеси с прибавкой тощих, некоксующихся углей давать коксующуюся шихту выражается по Кампредону той величиной при- бавки тощих углей или песка, которую удерживает один грамм этого угля. К 1 г исследуемого угля последовательно прибавляется песок Рис. 2. Рычажный пресс Мериса; /—рабочий груз; 2—-раздавливающий пестик; <3—вращающаяся пластинка с цилиндрами различной высоты для испытываемого на раздавливание королька; 4—груз-противовес; S— рычаг пресса. в таком количестве, пока несмотря на прибавку песка уголь еще дает спекшийся королек, и притом настолько крепкий, что выдерживает -слабое надавливание пальцев. Так, 1 г хорошо спекающегося угля удерживает около 18 г песка, и в этом случае спекаемость выра- жается величиной 18. Мерис предложил прибавлять к испытуемому углю всегда определенное количество песка и судить о крепости по- лученного королька измерением сопротивления, выдерживаемого ко- рольком при раздавливании на прессе. Рычажной пресс (рис. 2) Ме- риса представляет собой неравноплечий рычаг, на каждом плече его передвигается по грузу (1>4). Раздавливание осуществляется при по- мощи выдвигающегося пестика 2, подвешенного на длинном плече рычага 5. Подлежащий испытанию королек помещают под пестик в цилиндры различной высоты, сделанные во вращающейся пластинке 3. Величина спекаемости вычисляется по формуле: д.__ сопротивление иа раздавливание (кг/м3) X П вес исследуемого (неспекшегося) остатка (кг) ' ' .32
Для определения спекаемости нужно взять навеску из смеси 1 г испытуемого угля с 17 г песка. Уголь измельчается до прохождения через сито с 860 отверстиями на 1 сж2; измельченный песок должен проходить сквозь сито с 225 отверстиями на 1 см- и оставаться на сите с 335 отверстиями на 1 cjk2. В СССР принят в настоящее время метод Дамма. Этот метод за- ключается в следующем: уголь измельчают до прохождения через сито с 855 отверстиями на 1 см\ речной песок должен проходить сквозь сито с 506 отверстиями на 1 см? и оставаться на сите с 855 отверстиями. Навеску изготовляют из смеси 1 г испытуемого угля с переменным количеством песка, определяя количество неспекшегося порошкобразного остатка после коксования изготовленной смеси в тигле при температуре 900—1000° в муфеле. За показатель спекае- мости принимается отношение веса песка к весу угля в той смеси, при которой количество неспекшегося остатка будет равно единице. Определение числа спекаемости является только первым прибли- жением для установления пригодности угля или шихты для коксо- вания. Так как условия коксования угля в печи (в частности — скорость подъема температуры) не соответствуют условиям выделения летучих из угля в тигле, то и полученный королек только в первом прибли- жении характеризует качество получаемого в печи кокса, и суждение о поведении угля в печи составляется на основе наблюдений за всеми признаками спекаемости угля, вспучивания, вязкости и величины пла- стического слоя и скорости передвижения пластического слоя через толщу угля во время коксования. Пластическое состояние угля. Свойство углей давать после нагрева- ния однородный сплавленный монолит указывает на то, что отдель- ные частицы измельченного угля должны были пройти через пласти- ческое состояние, образовав однородную массу. Образование пласти- ческого слоя является результатом процесса пептизации, когда одна часть угля переходит в расплавленное состояние, пропитывает неплав- кую массу угля, последняя же набухает и принимает полужидкое со- стояние. Пептизация битумами неплавкой части угля может происходить только при условии, если имеет место смачивание; в противном слу- чае пластического слоя не получается. Спекающиеся угли приобретают текучесть в пределах 350—480°. Температура, при которой уголь принимает пластическое состояние (становится текучим), называется его температурой размягчения. 'После размягчения угля при дальнейшем повышении температуры из пластического слоя выделяются летучие составные части битумов, ко- личество пептизирующих веществ уменьшается и пластический слой снова переходит в твердый монолит, который при дальнейшем повы- шении температуры, теряя летучие, претерпевает усадку. Летучая часть битумов частично конденсируется и дает каменноугольную смолу; не конденсирующаяся часть уходит в виде газа. Смола при перегреве частично крекируется и дает также газ. Таким образом, свойства металлургического кокса зависят от про- цессов, происходящих в пластическом слое. Из большого числа приборов для определения поведения пласти- ческого слоя мы даем описание только пластометра Сапожникова. Этот прибор служит для определения давления распирания. Схема и детали прибора показаны на рис. 3. Цилиндрический стакан 1 имеет дырчатое вставное дно 2. В цилиндр помещаются 100 а испытуемого угля, измельченного до размеров частицы 1,5 мм. Поверх утрамбован- ного угля помещается проходной штемпель 3, имеющий, как и дно 3 Зак. 3(110. Общая химия, технология топлива. 33
Рис. 3. Пластометр Сапожникова: 1—цилиндрический стакан; 2—лырчатое вставное дно стакана; 3—проходной штемпель; 4 —отверстие для термопары; 5—отверстие для иглы; 6— рычаг; 7—само- пишущее^леро; 8— стержень штемпеля; 9—противовес. цилиндрического стакана, ряд отверстий для выхода газа. Кроме не- больших отверстий для выхода газа штемпель имеет два больших от- верстия: одно (4) для термопары и другое (5) для введения иглы, ко- । слоя. Проходной штемпель 3 соединен при помощи стер- жня 8 с рычагом 6, который заканчивается самопишущим пером 7; последнее отмечает колебания штемпеля и запи- сывает давление, возникаю- щее в пластическом слое. Ме- жду самопишущим пером и стержнем штемпеля на ры- чаге имеется противовес. Чем острее углы кривой давления, тем менее вязок слой и тем легче из слоя выделяются га- зы. Скорость нагрева должна соответствовать скорости обо- грева коксовой печи, т. е. в одну минуту температура дол- жна повышаться на 3°. , Влияние битумов. Как пра- вило, после полного удаления битумов из коксующегося угля экстраги- рованием он теряет способность спекаться. Битумы делятся на твердые, нерастворимые в петролейном эфире, и мягкие, которые в последнем растворимы. Мягкие маслянистые би- тумы имеют ясно выраженную температуру плавления и могут ча- стично отгоняться без разложения. Твердые битумы начинают разла- гаться еще до достижения температуры образования пластического слоя. Твердые битумы с маслянистыми дают более низкоплавкую смесь, которая пептизирует массу остаточного угля, причем твердые битумы не успевают при этом разложиться. Поэтому, если температура разложения битумов выше температуры образования пластического слоя, то уголь начнет плавиться и в случае, если процесс пла- вления продолжится более или менее длительное время, то все частицы измельченной шихты соединяются в однородную пластическую массу. Наступающие в дальнейшем разложение и отгонка летучих веществ сообщают пластическому слою пористость и вздутость. Свойства остаточного угля играют немаловажную роль. Так, например, кроме способности смачиваться, остаточный уголь должен обладать извест- ной пористостью, благодаря которой он быстрее пропитывается рас- плавленными битумами. Газификация Безостаточной газификацией называют процесс полного превраще- ния твердых топлив в горючие газы при высокой температуре с вве- дением воздуха и водяного пара. Горючие газы, как указано выше,, получаются как обычный продукт также и при процессах сухой пере- гонки топлива (первичные газы, коксовый газ). При безостаточной газификации, проводимой в газогенераторах (генераторный процесс), генераторный газ является основным продуктом. Основным продуктом является газ и на газовых заводах, вырабатывающих светильный газ. Образование горючих газов при введении кислорода воздуха и па- ров воды является результатом восстановительного действия углерода кокса, полученного из загруженного топлива. Горение этого кокса 34
у самого выхода из аппарата дает двуокись углерода и выделяет теп- ло, необходимое для всех происходящих при газификации процессах, протекающих выше зоны горения; .еще выше находится зона коксова- ния, затем зоны полукоксования, бертинирования и подсушки топлива. Если для газификации берут уже готовый кокс или полукокс, то от- падают соответственно те зоны, которые должно проходить топливо при более низких температурах (полукоксование, бертинирование, под- сушка). Из одного и того же сырья в зависимости от температуры тер- мической переработки получаются газы, различные как по количеств) , так и по составу. Состав газа и его количество находятся в известной зависимости от возраста перерабатываемого топлива: дестилляционные газы более молодых горючих богаче углекислотой, тогда как газы из более ста- рых топлив содержат больше водорода. Влияние кислорода угля на состав газа проявляется в планомерном возрастании в газе CH<t, СОа и особенно СО с одновременным умень- шением водорода, колебаниями СэНв и некоторым возрастанием С2Н4. Влажность топлива в некоторых случаях (до известного предела) является положительным фактором, повышая выход газа, но изменяя его состав. Такое поведение топлива при нагревании относительно мало сказывается на конечном составе газа, так как главная масса газа в газогенераторах образуется в результате сгорания кокса и вос- становления двуокиси углерода. Водяной пар, вводимый в аппарат для газификации или сухой пе- регонки топлива, действует особенно благоприятно, предотвращая распад продуктов перегонки и одновременно способствуя образованию водяного газа. Другие газы, вводимые в аппарат, влияют менее зна- чительно, главным образом разбавляя дестилляционные газы, а также способствуя более быстрому уносу газообразных продуктов перегонки из зоны нагрева. Негорючие разбавляющие газы добавляют лишь при швелевании, когда основным продуктом является смола, а не газ. Гидрогенизация В общем обзоре современных способов пирогенетической перера- ботки топлива следует отметить некоторые основные положения, по- зволяющие процесс гидрогенизации отнести к разряду методов наиболее глубокой переработки твердых топлив. По современным воззрениям гидрогенизация является по существу процессом комбинирован- ным, сочетающим разложение топлива и присоединение водорода, на- ходящегося в избытке и под большим давлением. Сущность процесса гидрогенизации состоит в предотвращении полимеризации непредель- ных соединений, образующихся в результате разложения сложных соединений, с изомеризацией и переводом образовавшихся непредель- ных осколков молекул в предельные соединения. Скорость гидрогенизации должна быть выше скорости пирогенети- ческого разложения, вызывающего образование непредельных осколков молекул, или равняться этой скорости. Химизм процессов изменения первичных продуктов низкотемпературной перегонки топлив Первичный деготь, его состав и свойства Первичный деготь по составу мало отличается от битумов, вы- деляемых при экстрагировании топлива органическими растворителями. Особенно большое сходство между первичным дегтем и битумами • 3 35
у каменных углей. Практически состав битумов одинаков с составом дегтя, полученным при сухой перегонке того же угля при 450° в ва- кууме. Так, например, деготь, полученный при перегонке угля под ва- куумом, состоял из 30% насыщенных и 68% ненасыщенных углеводо- родов, тогда как битумы того же угля содержали 20% насыщенных и 78% ненасыщенных углеводородов. При перегонке молодого то- плива, содержащего большое количество кислорода, первичный деготь значительно отличается от битумов, хотя некоторое сходство сохра- няется и в этом случае. Так, например, первичный деготь торфа содер- жит те же воски, что и битумы. На качество и количество продуктов полукоксования влияют также условия перегонки. Быстрый вывод продуктов перегонки из зон повы- шенной температуры предохраняет первичный деготь от разложения. Перегонка с водяным паром или в токе инертного газа понижает пар- циальное давление компонентов, увеличивает выход первичного дегтя и уменьшает выход других продуктов. Во всех случаях, когда пере- гонка ведется под уменьшенным давлением, наблюдается значитель- ное увеличение выхода дегтя. Повышение давления сверх атмосферного влияет менее резко в обратном направлении: увеличиваются выходы полукокса и газа и уменьшается выход дегтя. В табл. 14 приведен выход продуктов полукоксования каменного угля при различных давлениях. ТАБЛИЦА 14 Выход продуктов полукоксования каменного угля при различных давлениях (в %) Наименование продук- тов перегонки При атмосфер- ном давлении При давлении 50 ат При атмосфер- ном давлении В вакууме Полукокс 42,3 46,9 40,8 33,4 Первичный деготь . . . 21,9 8,2 23,3 41,2 Подсмольная вода . . . 18,5 17,7 20,1 12,1 Газ Потери 11,5 5,8 21,3 5,9 | 15,3 { 13,3 При более длительном нахождении продуктов термического разло- жения в зоне, высоких температур выходы дегтя уменьшаются и уве- личивается выход твердого остатка (полукокса) и газа. Наиболее глубокий распад претерпевают парафины. Это приводит к накоплению ненасыщенных углеводородов и к образованию непере- гоняемых продуктов — асфальтенов. Первичные дегти характеризуются отсутствием ароматических углеводородов (бензола, нафталина, антрацена), непременно содержа- щихся в высокотемпературных каменноугольных смолах. В очень редких случаях первичный деготь содержит только следы этих аро- матических углеводородов. Примерный состав первичного дегтя из разных видов топлива при- веден в табл. 15 и 16. Одним из существенных признаков первичных дегтей многих видов топлива, кроме сапропелитовых углей, является относительно высокое содержание фенолов (до 40—50% от веса дегтя), состоящих, главным образом, из высокомолекулярных (ксиле- нолы и выше) при небольшом содержании собственно фенола. Это обстоятельство сильно затрудняет переработку первичных дегтей и уменьшает их ценность. Ценность первичных дегтей, особенно если они содержат незначи- тельное количество низкокипящих фракций, определяется присутствием 36
ТАБЛИЦА lb Характеристика первичных дегтей различного качества Показатели Первичный деготь Деготь из газоге- нератора (со швельшихтой) хороший средний плохой Удельный вес при 50° . . 0,867 0,886 0,917 0,915 Начало кипения в °C . . 190 130 174 168 Содержание в %: сырое масло 30,0 37,5 24,1 22,0 фенолы в сыром дегте 11,0 15,0 19,5 17,0 парафин в дегте . . . 14,7 12,5 12,5 13,1 фенолы в парафиновой фракции 9,0 6,0 7.0 9,0 высококипящие пара- финовые фракции. . . 63,0 55,5 68 9 66,5 Температура плавления парафиновой фракции в °C 29,8 25,8 26,1 — ТАБЛИЦА 16 Характеристика первичных дегтей различного происхождения Из торфа Из бурых углей Из сланцев 6 , к Показатели верхово- низинно- £ й И S з я и <и М X «о ч Я И «мм си S а м кара- ДИНСК гаген о угл ГО го О. К Ж is и о о <и ex S сии а в О- X <и W 3 к ч а « ® О О О с. м и и о Й 5 и « и S и- и х Удельный вес ..... 0,96 1,02 0,976 0,990 0,8 0,94— 0,97— Вязкость при 20° С . . — — — 0,98 2,3- 1,09 1,84 15 Содержание в %: воск 5-9 3-6 3,3 парафин 4—8 3-6 8-6 2,5 6,4 0 0 2,3 фенолы и карбоно- вые кислоты . . . 15-20 15—22 13,3 19,23 20,2 21 18 10,2 основания 0,8-1,5 2,5—4,0 1,3 0,79 2,0 0,3 0,2 2,0 асфальтены .... 8—15 17—40 40 4,77 31,2 22,0 13,0 — нейтральные масла 18—22 13-20 ,— — — — — 82,0 остатки после пере- гонки до кокса . . 20-22 18-20 35,8 32,0 33,0 10,0 12,0 — вода — — — — — • 0,5 0,4 0,3 непредельные угле- водороды — — — — — 81,0 80,0 32,0 механические при- меси ....... — — 0,7 0,6 0,6 в них парафинов, так как дегти с парафинистым основанием, легко крекируясь, дают больше светлого моторного топлива. Для определения содержания воды в первичном дегте произво- дится перегонка его с ксилолом. При этом дестиллат состоит из воды и ксилола. Хорошие первичные дегти содержат не более I—1,5% воды. Повышение содержания воды до 3% затягивает вре^я пере- гонки дегтя, требует дополнительных затрат тепла и вообще усложняет условия ведения процесса. Разбавляя первичный деготь пятикратным количеством бензола, можно механические примеси выделить в осадок. В некоторых слу- чаях на фильтре остаются кроме механических примесей продукты 37
окисления и полимеризации непредельных соединений дегтя, коли- чество которых увеличивается на ярком свету. В этом случае необходимо осадок на фильтре дополнительно обработать пиридином, а затем снова промывать бензолом. В хороших первичных дегтях ко- личество механических примесей не превышает 0,1—0,35' • Величина удельного веса является одним из важных показателей первичного дегтя. Чем ниже удельный вес, тем больше в первичном дегте легкокипящих фракций и парафина и тем меньше фенолов и асфальтенов. Повышенные удельные веса наблюдаются у дегтей, полу - ченных из низкосортных, мало битуминозных типов топлив. Хороший, легко поддающийся переработке первичный деготь должен иметь уд. вес 0,85—0,90. При разбавлении навески 30—40-кратным количеством петролей- ного эфира из первичного дегтя в виде твердого осадка выделяются асфальтены. Количество асфальтенов указывает на трудность перера- ботки первичного дегтя; с увеличением содержания асфальтенов по- вышается выход пека и продуктов разложения. Раствором едкой щелочи извлекаются карбоновые кислоты и фе- нолы, которые в дальнейшем могут быть определены раздельно друг от друга. Раствором двууглекислого натрия связываются только кар- боновые кислоты. Отделенный раствор бикарбоната подкисляют до слабокислой реакции и выделившиеся карбоновые кислоты экстраги- руют эфиром. Содержание фенолов в первичных дегтях колеблется в очень боль- ших пределах от 5,6 до 50%. Содержание карбоновых кислот много меньше и редко превышает 5%. При обработке первичного дегтя или его раствора в эфире разба- вленной серной кислотой из него извлекаются азотистые основания. По удалении из дегтя кислых веществ и оснований в остатке полу- чают так называемое нейтральное масло. Содержание оснований в пер- вичном дегте зависит от количества азота в исходном топливе. Так, например, сапропели дают первичные дегти, в которых содержание азотистых оснований доходит до 6—8%. Первичные дегти из бурых углей содержат меньшее количество оснований. В большинстве слу- чаев основания первичных дегтей высокомолекулярны. Из нейтрального масла, при разбавлении его ацетоном и охлажде- нии до—10—15°, выпадает осадок, состоящий из твердых парафи- нов, количество которых определяют после тщательного промывания ацетоном и его отгонки. Разгонка первичного дегтя. Характер разгонки первичного дегтя предопределяется способом использования. Так, например, если пер- вичную смолу будут перерабатывать для получения парафина, то ее перегонка ведется таким образом, чтобы удалить из нее наиболее легко- кипящие фракции и получить остаток с высоким содержанием пара- фина. Если при переработке ставят себе задачей получение моторного топлива, то отбирают фракции, соответствующие температурам пере- гонки товарных продуктов, — бензина, керосина и т. д. Обычно, по аналогии с практикой нефтяной промышленности, лабо- раторную перегонку первичного дегтя ведут по Энглеру, отбирая фрак- ции в определенных интервалах и замеряя их по объему. В случае переработки первичного дегтя на моторное топливо раз- гонку ведут с отбором фракции до 180° — легкий бензин и до 220° — тяжелый бензин, далее отбирают фракции через каждые 50°. Для исследования возможности применения в качестве моторного топлива очищенных от оснований и кислых веществ нейтральных ма- сел и определения в них ароматических углеводородов разгонка в ла- боратории ведется другим способом — с отбором и замером фракций, 38
выкипающих до 60°, 95°, 122°, 1503 и далее с интервалом через каждые 50и. У первичных дегтей изучение состава нейтральной части ослож- няется тем, что она содержит большое количество кислородных соеди- нений. Несмотря на большое различие в составе первичных дегтей и нефти, все же можно применить к этим дегтям ту же классификацию, что и к нефтям, беря в основу характер углеводородной части. Подобно парафинистой нефти можно выделить первичные дегти с парафиновым основанием; нафтеновым нефтям соответствуют первичные дегти с по- вышенным содержанием нафтеновых углеводородов. Существуют пер- вичные дегти с повышенным содержанием асфальтенов, сходные ,с со- ответственными нефтями. В соответствии со способом получения первичных дегтей при низ- кой температуре они содержат меньшее количество смол и асфальте- нов, чем каменноугольные или газогенераторные высокотемпературные дегти. Поэтому, как правило, при их фракционировании остается меньше (около 6—10%) неперегоняемой части, чем у высокотемпера- турных дегтей (до 60%). Подсмольная вода При низкотемпературной перегонке топлива образование аммиака идет с очень малой скоростью. Поэтому выделяющаяся подсмольная вода имеет или кислую или в лучшем случае нейтральную реакцию. Кислотность подсмольной воды зависит не только от того, что в ней мало NH3, но и от того, что в ней растворены низшие органические кислоты, муравьиная, уксусная и их гомологи. Карбоновые кислоты и другие образовавшиеся при низкотемпературной переработке топлива растворимые в воде кислородные соединения переходят в подсмоль- ную воду не целиком: часть их растворяется в первичном дегте. Кон- центрация кислот в подсмольной воде зависит от коэфициента распре- деления их между водой и дегтем, величина которого для данной пары несмешивающихся жидкостей «вода—деготь» постоянна: Поэтому из некоторых первичных дегтей, например из древесного дегтя, можно вымыть всю кислую часть, обрабатывая их несколько раз водой. В подсмольной воде кроме кислот в незначительном количестве содержатся спирты, альдегиды, кетоны, нитрилы и амины. Первичные газы и их состав Групповой состав переработанного топлива сильно сказывается на составе первичных газов. Чем битуминознее топливо, тем меньше в выделяющемся первичном газе окислов углерода, больше углеводоро- дов и водорода. Первичные газы торфа, лигнитов, гумусовых бурых углей, в которых много гуминовых кислот, содержат большое коли- чество двуокиси углерода. Повышенное содержание СОг наблюдается в первичном газе окисленных каменных углей. Сравнительные данные о составе первич- ных газов приведены в табл. 17. Теплотворная способность первичного газа (7800—8000 кал/м5) много выше, чем коксового. Удельный вес первичного газа близок к 1, тогда как газ высокотемпературной перегонки имеет уд. вес около 0,4. 39
ТАБЛИЦА 17 Состав первичного газа, полученного из различных углей (в %) Наименование углей СО2 CnHm СО н2 n2 HsS Тквибульские каменные углы 14,63 6,72 7,26 59,1 6,7 5.4 — Украинские бурые угли Карагандинский уголь 42,8 2,2 7,6 20,0 23,5 3,9 — (пласт Верхняя Ма- рианна)— проба взята с глубины: 65 л 5,2 4,2 3,0 60,0 16,2 10,2 1,2 18 „ 32,6 0,2 16,0 28,2 12,3 10,2 0,5 Продукты высокотемпературной перегонки твердых топлив Вторичные процессы, происходящие при нагреве в зоне высокой температуры первичных продуктов сухой перегонки, сглаживают влия- ние природы переработанного топлива. При высокотемпературной перегонке, целью которой является выработка либо кокса, либо све- тильного газа, кроме кокса и газа получаются каменноугольная смола,, аммиак, сырой бензол и надсмольная вода. Выход продуктов с 1 т сухой шихты колеблется в следующих пределах: кокс 75—85%; каменноугольная смола 2,5—3,5%; сырой бензол 0,8—1,5%; аммиак 0,25—0,40%; коксовый газ 280—350 м3. Каменноугольная смола Каменноугольная смола представляет собой окрашенную в интен- сивный цвет (от темнокоричневого до черного) вязкую жидкость,, уд. веса от 1,05 до 1,25. Величина удельного веса смолы растет с увеличением температуры коксования, одновременно растет и ее вяз- кость. Так, например, каменноугольная смола с уд. весом 1,124 имеет вязкость 39,ЗЕ°2о°, тогда как смола с уд. весом 1,24 обладает вяз- костью 55Е°2о°. С увеличением температуры процесса в смоле высокотемператур- ного коксования растет содержание «свободного углерода» от 5% в каменноугольной смоле до 17% в смоле, полученной в горизонталь- ных ретортах. Одним из основных методов исследования состава и качества каменноугольных смол является их разгонка с последующим анализом состава получаемых фракций. Отбор фракций производится в опреде- ленных температурных интервалах. Выходы и свойства отдельных фракций, как видно из табл. 18, весьма различны в зависимости от характера исходных смол. ТАБЛИЦА 18 Выход и свойства различных фракций каменноугольной смолы Фракция Температура от- гонки фракции в °C Выход фракции В ®/о Удельный вес фракции Легкое масло Среднее масло Тяжелое масло « Антраценовое масло . . . Каменноугольный пек . . . До 170 170—230 230-270 270—360 В остатке 0,5-5,0 • 3,46-12,2 9,93-27,0 4,0—24,8 50,5-71,8 0,88—0,98 0,98—1,04 1,04—1,06 1,06—1,10 40
Ароматизация каменноугольных смол. Так как вывод летучих про- дуктов из зоны высокой температуры происходит не мгновенно и они касаются стенок камеры печи, нагретых до более высокой темпера- туры, то происходят вторичные процессы, вызывающие значительное изменение в составе летучих и приводящие к образованию бензола, нафталина, антрацена, фенантрена и т. д. Парафиновые углеводороды легко и сравнительно полно разла- гаются при температурах ниже 600°, особенно в соприкосновении с углеродом. Позднейшие исследования подтвердили это положение и показали, что даже кипячение высококипящих бензинов с углем при- водит к распаду их молекул и образованию более низкокипящих фрак- ций, состоящих из смеси предельных и непредельных углеводородов. Такой распад, или, как его называют, крекинг парафиновых углеводо- родов приводит не только к накоплению низкокипящих, но и к обра- зованию новых более устойчивых углеводородов. При распаде пара- финовых цепей, каким бы образом этот распад не проходил — с раз- рывом ли цепи или с образованием свободных радикалов — всегда следует, как это видно из простейшей схемы, ожидать образования обязательно олефина: СН3СН2СН2СН2СН3 —* СН3СН2СН3 + СН2 = СН2. Стойкость углеводородов к действию высоких температур умень- шается с увеличением длины цепочки, и поэтому нет оснований для образования из осколков молекул новой, более длинной парафиновой молекулы. Образовавшиеся этиленовые углеводороды полимеризуются либо в соединения открытой цепи, либо образуют циклические полимети- леновые углеводороды, которые более стойки к температуре, чем парафиновые. Френсис на основе расчетов свободной энергии углеводородов приходит к вы- воду, что высшие парафины обладают малой термической устойчивостью и при тем- пературе выше 250° только метан является стойким углеводородом. Одиако ско- рость термического распада при этих температурах очень мала: поэтому нужен до- статочный промежуток времени или применение катализатора для накопления боль- шого количества продуктов распада. Повышение температуры увеличивает скорость реакции распада. Формы распада многообразны; можно считать, что углеводороды жирного ряда могут распадаться по одному из следующих уравнений: СН3СН2СН2СН3 СН2 = СН2+ СН3СН3; СН3СН2СН2СН3 СН3СН = СН2 + СН4; СН3СН2СН2СН3 СН3СН2СН = СН2 + н,. При анализе продуктов распада бутана была получена смесь, состоящая из 19,5% непредельных углеводородов, 14,2% метана, 11% водорода, причем количе- ство метана росло с повышением температуры. Образовавшиеся или имеющиеся в каменноугольной смоле олефины полимеризуются с образованием шестичленного кольца (гексаметиленов). Установлено, что при термическом распаде парафиновых углеводородов связь С — Н более крепка, чем связь С — С. В случае же циклических соединений повы- шение температуры приводит к разрыву связи С — Н, поэтому шестичленные на- фтены дегидрогенизируются до ароматических углеводородов (бензола и его гомоло- гов) по схеме: СН2 СН сн^сн, сгГсн I ‘ > I II +ЗН2. сн2 си.. СН СН \/ X/ СН2 СН Бензольные углеводороды термически более стойки, чем полиметиленовые. При повышении температуры от ннх отщепляется водород и образуются полициклические 41
соединения. Так, при пиролизе бензола образуется дифинил, при пиролизе толуола могут образоваться антрацен и фенантрен. Химизм процесса накопления полициклических соединений при термических реакциях до сих пор мало выяснен. Накопление полициклических соединений происходит в каменноугольной смоле. Остающийся после отгонки фракций пек в количестве до 60%' состоит, главным образом, из полициклических соединений. Вторая, более вероятная гипотеза образования ароматики в высокотемператур- ной смоле предполагает существование в продуктах термического распада свобод- ных радикалов. Панет, а затем Рейс и др. установили с несомненностью, что при действии вы- сокой температуры из углеводородов образуются радикалы и в частности при рас- паде метана можно ожидать образования свободных радикалов =СН, =СНа, —СНз и других, соответственных им, если исходные углеводороды были не CHj, а более высокомолекулярные. Из этих осколков и может синтезироваться бензол, его гомо- логи или би-, три- и полициклические соединения. Продолжительность жизни радикалов мала (тысячные доли секунды), но их существование установлено с несомненностью. Соединяясь, они могут создать терми- чески более устойчивые углеводороды; таковыми по отношению к парафиновому ряду будут нафтены и ароматические углеводороды. При рекомбинации одновременно образуется целый ряд ароматических углеводо- родов, начиная с бензола и кончая высокомолекулярными полициклическими соеди- нениями. Так, при кратковременном пиролизе пропана получают одновременно и в одинаковых количествах бензол и нафталин. Правило термической стойкости различных групп углеводородов следует пере- нести и на их производные — фенолы, азотистые и кислородные соединения. Коксовый газ Изменение в составе первичного газа (табл. 19) при повышении тем- пературы происходит за счет изменения содержания СО2, Н2 и С Н 2 fi О • ТАБЛИЦА 19 Изменение состава первичного газа при повышении температуры (в %) Компоненты газа Температура в коксовой печи в СС 500 600 700 800 900 1000 1100 СО., • . . 15,9 4,2 3,2 2,0 1,1 1,2 1,0 с„н„, 9,1 7,1 4,3 4,5 4,8 4,6 5,2 СО 7,8 6,0 6,3 7,2 7,4 6,4 7,3 Н, 3,9 18,3 30,4 30,3 53,5 58,8 60,2 12 63,3 64,4 55,8 47,0 33,2 29,0 26,3 Уменьшение содержания СОг может быть объяснено реакцией С + СОг—«-2СО; увеличение содержания Н2, вероятно, вызывается, крекингом дегтя с образованием водорода и олефинов, либо является результатом диссоциации углеводородов или конверсией углеводородов с парами воды. Содержание углеводородов в коксовом газе очень мало изме- няется с повышением температуры. Даже при температуре диссоциа- ции углеводородов содержание последних в коксовом газе снижается вдвое, тогда как содержание водорода увеличивается в 15 раз. Такое большое количество водорода не могло образоваться только путем диссоциации метана и этана, так как одна молекула метана дает лишь две молекулы водорода, а молекула этана — три молекулы во- дорода. Поэтому следует допустить, что не исключена возможность образования водорода за счет конверсии углеводородов как с парами воды, так и с двуокисью углерода. При конверсии с парами воды (CHj + Н2О = СО + ЗН2 и СгНв + 2НаО = 2СО + 5На) метан дает увеличение содержания водорода в три раза, а этан в пять раз, т. е. гораздо больше, чем при npocToii диссоциации. Не исключена возмож- 42
ность и конверсии более высокомолекулярных углеводородов. Кроме того, происходит реакция конверсии с двуокисью углерода: СН4 + С02 = 2СО + 2Н., СгНй + 2СО2 = 4СО3IU Возможность существования этих процессов следует из того, что содержание двуокиси углерода уменьшилось весьма сильно, тогда как содержание окиси углерода остается почти постоянным. Объем пер- вичных газов, выделившихся до начала коксования, значително меньше объема газов, получающихся в процессе коксования, и по- этому содержание СОг в первичном газе не имеет решающего влия- ния на состав высокотемпературного газа. Это увеличение газообразо- вания является результатом крекинга каменноугольной смолы и при- веденных выше вторичных реакций, протекающих в газе. Крекинг и гидрогенизация дегтей Под действием высоких температур первичная смола претерпевает большие изменения. Даже повторная перегонка, как видно из табл. 20, изменяет состав этой смолы. ТАБЛИЦА 20 Влияние условий перегонки первичного дегтя на его состав (в °/0) Компоненты Первона- чальный со- став первич- ного дегтя Перегонка первичного дегтя С водяным паром в вакууме при нор- мальном да- влении Нерастворимые в бензине . . . 8,6 3,2 1,7 1,8 Фенолы . . . • 9,5 1,3 2,3 6,4 Карбоновые кислоты 5,6 5,8 7,9 7,3 Парафин 19,6 31,9 27,0 20,9 Нейтральные масла 53,7 39,4 43,3 50,9 Кокс 7,9 7,9 7,8 Парафиновые соединения наименее устойчивы к действию высокой температуры. Начало их крекинга лежит при сравнительно низких тем- пературах. Температура распада у олефинов выше, чем у парафинов; еще выше она у нафтеновых углеводородов, и, наконец, ароматиче- ские углеводороды — наиболее термически устойчивы. При повышении температуры ароматические соединения дают многокольчатые моле- кулы, которые и представляют собой твердые неперегоняемые отло- жения, называемые коксом. Прежде чем дать кокс, высокополимеризо- ванные ароматические соединения переходят в непрегоняемую смесь, которая называется карбенами. Карбены в отличие от кокса раство- ряются в бензоле, пиридине и других растворителях. Такой же путь постепенного перехода в этом ряде (парафины, олефины, нафтены, ароматика, карбены и кокс) можно наблюдать, не повышая температуру до 900—1000°, как это имеет место в коксовых печах, а удлиняя время пребывания вещества в реакционной зоне. Так, в условиях промышленного крекинга нефтяных продуктов температура поддерживается не выше 500° (при повышенном давле- нии). При этих условиях дегти, имеющие в своем составе преимуще- ственно парафины, потребуют больше' времени для образования кокса и поэтому процесс можно остановить на стадии распада длинной пара- финовой молекулы на низшие парафины и олефины. В случае преобла- дания олефинов процесс распада дегтя при повышении температуры 43
может начаться одновременно с полимеризацией олефинов в полимети- леновые углеводороды. Процесс ароматизации нафтенов наступает с отщеплением водо-. рода и боковых цепей; одновременно продолжается процесс накопле- ния многокольчатых систем, которые сначала переходят в карбоиды, а затем идет образование кокса. У ароматических углеводородов крекинг может итти только в на- правлении отрыва боковых цепей; затем начинается конденсация одноядерных молекул в многоядерные и образование кокса. Наиболее легко крекируются парафиновые, а затем нафтеновые, ароматические и асфальтеновые дегти. Дегти, содержащие небольшое количество парафинов, при крекинге дают настолько мало легкокипящих фракций, что способ получения бензинов путем крекинга экономически мало пригоден. Результаты опытов крекинга сланцевых дегтей приведены в табл. 21. Из таблицы ТАБЛИЦА 21 Фракционный состав сланцевых дегтей до крекирования и после него (в °/0) Фракции сланцевых дегтей Веймарнская смола 4 Кашпирская смола до кре- кинга после крекинга до кре- кинга после крекинга До 200° 3,2 28,7 11,5 27,0 От 200 до 300° . . . 19,8 6,9 29,3 5,3 Выше 300° (остаток) Газ и потери при 75,4 6,2 56,5 8,2 перегонке .... 1,6 23,0 2,7 23,3 Кокс — 35,2 — 35,3 ясно, что потери на газо- и коксообразование в обоих случаях соста- вляют 58—59%, в то время как выход бензина при крекинге веймарн- ской смолы повышается на 25,5%, а при крекинге кашпирской — на 15,5%. Таким образом, главная масса дегтей при крекинге в данном слу- чае превращалась в газ и кокс. Аналогичный процесс идет и при кре- кинге других первичных дегтей (торфяных, буроугольных) с малым содержанием парафиновых углеводородов. Главной причиной таких малых выходов легких фракций при кре- кинге сланцевых и других дегтей является содержание в них в боль- шом количестве непредельных углеводородов. Поэтому для устране- ния первичного накопления олефинов и последующего коксообразова- ния процессы крекинга сланцевых дегтей ведутся в присутствии водо- рода. Такой метод термической переработки получил название дестру- ктивной гидрогенизации. Водород гидрирует олефины и таким образом, во-первых, дает но- вый материал для распада (парафины), во-вторых, мешает дегидри- роваться ароматическим соединениям и предохраняет их от дальней- шего уплотнения в многоядерные системы, а также облегчает распад, прогидрированного полициклического соединения. Так как большинство перечисленных реакций присоединения водо- рода обратимо и скорость реакции для каждой группы углеводородов различна, то для ускорения желаемой реакции необходимо применение соответствующего специфического катализатора, свойства которого изучаются на индивидуальных соединениях. Процессы, происходящие при деструктивной гидрогенизации, в значительной мере зависят от условий температуры и давления. 44
Общий характер действия водорода на группы углеводородов можно схематически представить таким образом. Простой разрыв данной цепи парафина с образованием олефинов приводит к полиме- ризации с образованием димеров, тримеров и полимеров. Полнота перехода олефинов в насыщенные полиметиленовые углеводороды уменьшается по мере увеличения молекулярного веса углеводородов. Поэтому в этих случаях необходимо несколько (но не сильно) поднять давление, увеличить концентрацию водорода и не повышать темпера- туры. Таким образом, короткий срок мягкого гидрирования будет спо- собствовать накоплению насыщенных углеводородов. Поведение нафтеновых углеводородов изучено на сравнительно небольшом количестве индивидуальных соединений. Первый член — циклогексан дает по схеме Джонса циклогексен и затем бензол: СН., I сн2 сн. сн2 Декалин, вероятно, переходит в тетралин, а последний дает бензол по схеме: СН2 СН2 СН^СН^Нг I I сн. сн2 сн сн2 \н?сн^ сн2 I сн2 Вместе с этой реакцией протекает и другая — изомеризация тетралина в метил- гидроинден: СН2 ^\/Х,СН2 ---;СН2 Jch2 I^ XJcH, сн2 ' сн — сн3 Такой переход циклогексана в метилциклопентан был реализован акад. Зелин- с ним: СН2 СН.,—СНо 1'1' СН2 СН — СН;; ^сщ Таким образом полинафтеновые кольца при гидрировании переходят в одноколь- чатые системы, а последние, присоединяя водород, дают парафиновый и олефино- вый углеводороды: СН2 сн?сн.> I I —> СН3 — СНо— СН2 — СНв + СН2 = СН». сн2 сн2 ^сгн 45
Бензольное ядро и многокольчатые соединения наиболее прочны; их можно под- вергать нагреванию до 800°. Разрыв бензольного кольца с образованием открытой цепи с 6 атомами углерода не имеет места: он идет глубже с образованием угле- рода, водорода и метана. Из гомологов бензола наиболее прочными являются егс метилпроизводиые. При гидрировании высших гомологов бензола наблюдается более легкая отщепляемость боковых цепей с образованием парафиновых углеводородов и бензола или циклогексана, смотря по продолжительности гидрирования, уровню температуры и характеру катализатора. Характер распада азотистых, сернистых н кислородных соединений смолы аналогичен описанным выше. Так. деструктивная гидрогенизация карбазола может быть выражена следующей схемой: Такова же схема разрушения молекулы тиофена: СН—СН II II СН СН СН2-СН2 СН» сн2 xs/ сн2—сн2 I ! и СН» сн3 XSH СН3-СН2—СН2—CH3+S. В качестве наиболее стойких катализаторов для деструктивной гидрогенизации применяются сернистые металлы, как не боящиеся отравления сероводородом, напри- мер сернистый молибден. Преимущество гидрогенизации некоторых дегтей перед крекингом и ее значение для обеспечения повышенных выходов бензина видны из ТАБЛИЦА 22 Состав продуктов, полученных из слан- цевых дегтей после деструктивной ги- дрогенизации их (в %) Продукты Веймарн- Кашпир- ская смола ская смола Вода .... • . 6 3,3 Бензин 70 43,3 Газ и потери . . 24 26,5 Фракция, кипящая выше 200° . . — 27,0 ТАБЛИЦА 23- Состав газов, полученных при ги- дрогенизации сланцевых дегтей (в %) Компоненты газа Веймарн- ская смола Кашпир' ская смола со» 5,0 2,4 6,1 0,1 СпН2П-| 2 64,5 61,7 н2 30,4 34,2 табл. 22. При деструктивной гидрогенизации в моторное топливо пере- шло 70% всей смолы. В результате деструктивной гидрогенизации в качестве отхода по- лучаются газы. В табл. 23 приведен состав газов гидрогенизации тех же сланцевых дегтей. Сырьем для получения водорода могут служить отходящие газы гидрогенизации. Путем конверсии с парами воды зти газы, содержащие 25—30% СзНз и CiHio, могут быть переработаны на водород по реакции: С4Н10~8Н2О —> 4СОо+ 13Н2. 46
Таким образом, из одного объема бутана можно получить 13 объе- мов водорода и почти полностью удовлетворить потребность в нем для гидрогенизации. Конверсией можно замкнуть процесс потребления во- дорода для гидрогенизации. Синтез жидкого топлива из газов При процессах термической переработки топлива получается зна- чительное количество отходящих газов. Так, например, коксовая уста- новка, перерабатывающая в год 1 млн. т угля, дает до 300 млн. м3 газов. Еще большее количество газов получается в результате кре- кинга нефти и смол. В зависимости от характера нефти, температуры и продолжительности крекинга выход газа колеблется от 3 до 6%'. Средний состав газов (в %): II............... 3-7 С4Н8..........5,8-9 С»Н4..........3,9-27 С„Н.,1+г . . . 39,6-80,7 С3'Н0.........1,6—6,6 Среди многих методов использования этих отходящих газов сле- дут отметить использование непредельных углеводородов для синтеза спиртов и гликолей, а также выработки высокооктанового бензина и получение водорода методом конверсии предельных углеводородов. Процесс получения бензина из олефинов осуществляется полиме- ризацией олефинов с фосфорной или серной кислотой. Полимеризация идет по схеме: СН3 СН2 ОН V* + so» СНо он I сн3 СН8 СН3 С — OSOsl I, сн2 сн« сн3 СНо сн:1 н г о || с — OSO3H —> СН3 — СН2 — С — С — С = СН2 + 2H2SO4. сн2 СН3СН3СН3 СН3 Химизм и технология получения жидкого топлива из окиси углерода и водорода приведены в главе 24.
ЧАСТЬ II ПОЛУКОКСОВАНИЕ, КОКСОВАНИЕ И ГАЗИФИКАЦИЯ ГЛАВА 3 УГЛЕОБОГАЩЕНИЕ Методы обогащения углей Механическая обработка каменного угля для удаления породы и многозольных частей носит название обогащения. Теплотворная спо- собность обогащенного угля повышается вследствие увеличения со- держания органической массы. Уменьшение в обогащенном угле серы повышает его качество как топлива и как сырья для выжига кокса. Масса рядового угля состоит из кусков и частиц разнообразной зольности, начиная от пустой породы до зерен почти чистого органи- ческого вещества; поэтому найденное содержание золы является сред- ним количеством. Рядовой уголь большей частью представляет смесь нескольких пла- стов, добываемых из одной шахты. Уголь пластов даже одной марки может сильно отличаться как по зольности, так и по крупности кусков (ситовому анализу). Кроме того, пласты часто разделяются прослой- ками на различные по анализу и по петрографическому составу пачки. Пустая порода между пачками угля, а также обломки почвы и кровли пластов, попадающие в рядовой уголь, увеличивают зольную часть угля. В зависимости от состава пород (песчаники, глины, угли- стые сланцы и др.) этот примешанный балласт может быть в виде ме- лочи или крупных кусков. Соответствующими методами обогащения эта часть золы может быть отделена от угля почти полностью. Круп- ные куски породы могут быть удалены ручной или механической по- родоотборкой, мелочь и пыль — мокрым или пневматическим обогаще- нием, а также флотацией. В некоторых случаях предварительное обо- гащение достигается простым грохочением. Другую часть золы составляют минеральные вещества, отложив- шиеся в угле в процессе его образования. Эти вещества заполняют поры фюзена, образуют включения и тонкие пропластки в органиче- ской массе угля и выделяются в трещинах угля из вод, пропитываю- щих угольные пласты. Образуя как бы сросшуюся с веществом угля массу, эта часть золы может быть отделена от угля только при соот- ветствующем дроблении. Естественно, что часть этой золы переходит при добыче угля в угольную мелочь. Наконец, минеральные вещества, входившие в состав раститель- ного вещества, из которого образовался уголь, химически связаны с горючим веществом и отделение ее обычными методами углеобогаще- ния невозможно. Содержание такой золы обычно составляет от 1 до 2% от органической массы угля. 48'
Рядовой уголь может быть получен мелким и крупным. Дюрен лучше противостоит дроблению при добыче, витрен часто дает много мелочи, фюзен частично остается в виде пропластков и включений в кусковом угле. Содержание в рядовом угле мелочи и кусков различного размера определяется ситовым анализом. В производстве отсев угля от мелочи или разделение угля по крупности производятся на различного типа грохотах. Распределение золы в угле, разделенном на классы по круп- ности, может быть весьма различным. Обыкновенно угольная мелочь содержит больше золы, чем крупные классы угля, хотя нередко бы- вают исключения. Куски угля, прослоенные породой, неоднородные по составу или содержащие зольные прожилки и включения, подвергаются раскалы- ванию до соответствующих размеров в дробильных аппаратах. Образо- вание мелочи и пыли при этом нежелательно, так как вызывает уве- личение потерь при обогащении. В тех же случаях, когда задачей дробления является простой размол угля с целью получения шихты для коксования или для пылевидного топлива, применяются дезинте- граторы, молотковые дробилки и мельницы, разбивающие или расти- рающие уголь. Шихта для коксования составляется смешением иногда довольно значительного числа (5 и более) различных по качеству марок углей. Сочетание нескольких компонентов позволяет более точно подобрать состав шихты, обеспечивающий высокое качество получаемого кокса при повышенном выходе смолы, но применение большого числа ком- понентов значительно осложняет хозяйство угольных складов. Умень- шение числа компонентов до трех представляется наиболее правиль- ным решением во всех тех случаях, когда это окажется экономически и технически возможным. Шихта, все компоненты которой состоят из рядовых углей, встре- чается редко. Обычно большая часть шихты составляется из углей, предварительно обогащенных. Обогащение углей может производиться на месте их добычи, или на месте потребления. В основу обогащения углей положены методы, основанные на раз- личной скорости падения в движущейся воде или в токе воздуха раз- личных по удельному весу и размеру кусков породы, зольного и чи- стого угля. В соответствии с этим обогащение носит название мокрого или сухого (пневматического). В качестве предварительной, а иногда и самостоятельной операции применяется ручная и механическая отборка породы. В качестве особого метода обогащения мелкого угля и в частности угольных шламов, получаемых при мокром обогащении, пользуются флотацией, основанной на различной смачиваемости породы и уголь- ных частиц. Основные процессы обогащения слагаются из следующих опера- ций: 1) грохочение и сортировка по крупности; 2) дробление; 3)поро- доотборка; 4) мокрое обогащение; 5) флотация и 6) сухое обогащение. Грохочение углей Грохочение углей представляет собой операцию, необходимую почти при всех процессах углеобогащения. Сущность грохочения состоит в разделении угля на отдельные классы (сорта) по крупности. Грохочение может быть самостоятельной операцией и в этих слу- чаях агрегаты для грохочения называются углесортировками. 4 Зак. 3610. Общая химия, технология топлива. 49
Грохочение кокса осуществляется на коксосортировках. При отсеве рядового угля от мелочи на рудниках добиваются за- метного уменьшения зольности и в данном случае сортировка уже выполняет задачу обогащения. Это особенно целесообразно, когда «отсев» может быть использован на месте в качестве котельного или другого топлива. Грохоты делятся на следующие четыре типа: 1) колосниковые, не- подвижные и роликовые; 2) плоские качающиеся; 3) плоские вибра- ционные и 4) барабанные медленно вращающиеся, цилиндрические и конические. Колосниковые грохоты. Неподвижные колосниковые грохоты наиболее дешевы и просты. Конструкция грохота показана на рис. 4. Рис. 4. Неподвижный колосниковый грохот. Грохот укрепляется непосредственно под местом подачи угля и состоит из ряда железных полос (колосников), скрепленных между собой в виде решетки. Ширина щелей между колосниками определяется размерами шайб. Ширина грохота составляет обычно от 1,5 до 2 м, длина 5 м и более. Угол наклона грохота должен обеспечить равномерное сползание угля и быть несколько больше угла трения по железу: 25—35°. Нередко изменяют угол наклона, сообразуясь с результатами наблюдений за работой грохота. Во избежание заклинивания угля между колосниками поперечному сечению колосников придают форму, суживающуюся кверху. Роликовые или валковые грохоты. Роликовые грохоты (гризли) ши- роко распространены на коксосортировках для отсева металлургиче- ского кокса. Поперек металлической рамы установлены на подшипниках обычно 9 и более валов с насаженными на них чугунными фигурными ди- сками. Посредством цепной передачи все валы с дисками вращаются в одну сторону, передвигая кокс. Диски четных валков входят в про- межутки нечетных, образуя просветы в 25 X 25 мм или 40 X 40 мм в соответствии с размерами отсеваемого кокса. Куски двигающегося через валковый грохот кокса все время перекатываются; если хотя бы 50
в одной проекции куска размеры менее указанных, то кокс провали- вается под грохот. На рис. 5 показан применяемый для отсева рядовых углей от мелочи роликовый грохот Дистль-Зуски более простой конструкции с валками, отлитыми целиком из чугуна. Плоские качающиеся грохоты. Для этих грохотов применяются штампованные из железных листов решета или проволочные сита. Отверстия в решетках штампуются круглой, квадратной и щелевидной формы и располагаются в шахматном порядке или параллельными ря- дами. При продавливании штампом отверстий размеры их с нижней Рис. 5. Роликовый грохот Дистль-Зуски. стороны листа получаются несколько увеличенными, что уменьшает возможность застревания частиц угля в решетах. По условиям техники штампования толщина железного листа не может быть более 0,6 диаметра отверстия. Поэтому решета с мелкими отверстиями получаются тонкими. Проволочные сита имеют большее живое сечение (до 70%) и до- пускают возможность самого мелкого грохочения. Их недостаток — неровная поверхность, увеличивающая трение и быстрый износ. Во из- бежание изменения размеров отверстий, из-за перемещения проволок в сите, применяется специальное плетение, при котором как продоль- ные, так и поперечные проволоки одинаково изогнуты и плотно зажи- мают друг друга. В наклонных неподвижных грохотах движение угля происходит под влиянием силы тяжести. В качающихся грохотах, даже при гори- зонтальном положении сита, уголь может передвигаться под действием сил инерции и при движении грохота вперед и назад уголь будет дви- гаться вместе с грохотом, оставаясь по отношению к нему в покое только до тех пор, пока инерция угля, равная Mi (где М — масса угля, a i — ускорение или замедление движения грохота), не превы- сит трения угля по ситу грохота. 4* 51
Сила трения при горизонтальном грохоте равна pt (где р — вес угля и f — коэфи- циент трения), или, что то же, Mgf (где М — масса угля, a g — ускорение силы тяжести). Из равенства Mi = Mgf определяется критическое значение /к=9,81/, (13) выше которого всякое ускорение или замедление движения грохота вызывает пере- мещение угля по грохоту. Коэфициент f в зависимости от характера угля и различия решет колеблется в пределах: для угля, находящегося в покое к грохоту, f — от 0,50 до 0,60, в дви- жении f = от 0,20 до 0,25. Для сползания угля с грохота необходимо нли придать его ситу наклон, в сто- рону которого и будет сдвигаться вся масса угля, или сообщить колебаниям гро- хота в одну сторону бблыпие ускорения или замедления, чем в другую. В отдель- ных конструкциях при колебаниях грохота движение вперед останавливается ударом грохота об упор или пружину, вызывая резкое замедление и изменение направления хода, и уголь продвигается при этом толчками по одному направлению, каждый раз на определенное расстояние. Производительность грохота, повышаясь с увеличением скорости, доходит до предела и затем начинает уменьшаться при одновременном ухудшении четкости отсева. Производительность грохота повышается с увеличением толщины слоя двигающегося по нему угля, однако качество грохочения вслед- ствие выноса углем мелких частиц при этом понижается. Сообщая грохоту для встряхивания угля дополнительные колебания в напра- влении, перпендикулярном решету, можно в значительной степени ослабить это явление. Для разделения угля на несколько классов по крупности уголь пропускают через ряд последовательно расположенных сит, производя грохочение «от мелкого к крупному» или «от крупного к мелкому». Иногда применяется комбинирование обоих методов. При грохочении «от мелкого к крупному» сита грохота распола- гаются последовательно по длине одного грохота или отдельные гро- хоты устанавливаются цепью один за другим. Грохочение «от мелкого к крупному» занимает много места, но в некоторых случаях удобно, так как грохоты заменяют собою транспортер, что позволяет непосред- ственно распределять по бункерам отдельные классы угля по крупно- сти. Надзор за работой грохотов удобен, чистка и смена сит при этом грохочении производятся без затруднения. При грохочении «от крупного к мелкому» сита располагаются одно под другим. Конструкция проста и компактна, а износ мелких сит значительно уменьшается. вл ц 2 Воспринимающий всю массу Основные показатели грохотов Маркуса 1 „ J < угля веохнии гпохот с боль- Размеры сит (ширина X Длина) в мм Производи- тельность в т/час шими отверстиями может Вес ^грохота быть сделан весьма проч- ным из толстых железных 600 х юооо 1 200.Х 25 000 2 400 X 40 000 Разделенный ствующую обог Грохот Мар 90 180 360 на классы атительную куса. Грохот более совершенно. Крупные сорта угля, проходя мень- 25 0 ший путь, лучше сохраняют- ся, разделение по классам крупности более четкое, уголь направляется желобами в соответ- шпаратуру. Маркуса широко распространен на угле- сортировках для грохочения по методу «от мелкого к крупному», так как, заменяя транспортер, позволяет распределять уголь по сортам не- посредственно в бункера, находящиеся под ситами. Вследствие дви- жения грохота в горизонтальной плоскости по роликам, уголь переме- 52
щается по ситам сплошной массой без подбрасывания, что предохраняет куски угля от измельчения и позволяет производить на грохоте отборку породы вручную. Основные показатели грохотов Маркуса приведены в табл. 24. При движении вперед диференциальный механизм сообщает грохоту ускорение, не превышающее критического, вследствие чего вся масса угля, двигаясь вместе с грохотом, остается по отношению к нему в покое. В конце хода резкое замедле- ние грохота заставляет уголь двигаться по грохоту вперед. Обратное движение гро- хота начинается при быстром нарастании ускорения. Грохот как бы выдергивается из-под движущейся массы. Грохоты Маркуса применяются для грохочения угля по классам крупности не ниже 10 мм. Грохоты Маркуса применяются и для обезвоживания мытых углей. Грохот Баума. Наклонная рама грохота получает в верхней части круговые качательные движения в вертикальной плоскости от эксцен- Рис. 6. Грохот Ба]ма <т мелкого к крупному: / — решето; 2—тяга; ^—эксцентрик. триков приводного вала 3, непосредственно связанных с рамой. Ниж- няя часть грохота, подвешенная на тягах 2, движется почти горизон- тально. Благодаря такому устройству уголь со стороны загрузки про- двигается по решету 1 и быстро отсеивается от мелочи. При дальней- Рис. 7. Грохот Феррариса: 1—рама грохота; 2—пружины; 3—эксцентриковая тяга. шем перемещении по грохоту уголь получает более плавное движение, что предохраняет куски от измельчения. На рис. 6 изображен грохот Баума для грохочения по методу «от мелкого к крупному» с разделением угля на три класса. Угол наклона грохота 15—17°, число оборотов ведущего вала 100—120 в минуту. Грохоты Баума просты по конструкции и приме- няются для кусков угля не крупнее 100 мм. Основные размеры грохотов Баума: длина 3200—5200 мм, ширина 1200—2000 мм, вес 2—5 т. Производительность колеблется от 50 до 150 т/час. Грохот Феррариса. Грохот Феррариса (рис. 7) горизонтальный, бы- строходный с несимметричным и подбрасывающим движением. Рама 53
грохота 1, укрепленная по бокам на ряде поставленных наклонно плоских пружин 2, получает колебания от эксцентриковой тяги 3. Ди- ференциальное движение грохота в данном случае зависит от наклона пружин и эксцентриковых тяг. При движении вперед грохот несколько приподнимается на пружинах, сила трения возрастает и уголь дви- жется вместе с грохотом. При движении назад грохот как бы опу- скается под углем и уголь почти без трения, а иногда и отделяясь от грохота, продолжает скачками свое поступательное движение вперед. Пружинящие пластины грохота, обычно деревянные, устанавливаются ТАБЛИЦА 25 П0Д УГЛ0М 0Т 15 ДО 25° Основные показатели грохотов Феррариса к вертикали. Радиус кривошипа эксцентри- Размеры сит (ширина X Длина) в мм Производительность в т)час при величине отверстий сита 10 мм | 6 мм | 3 мм ка 15—30 мм. Число Мощность оборотов вала 400—500 в в минуту. При неболь- л- с- шом наклоне грохот Феррариса может ра- 460 X 2 300 900 X 3 200 • 1 000 X 4 000 10 12,5 15 6 7,5 10 3 4 5 ботать с подачей угля 2,5 вверх по наклону. Это 3,5 позволяет устанавли- 4’5 вать грохоты последо- вательно на одной пло- щадке, причем уголь пересыпается с одного грохота на другой без всяких дополнительных приспособлений. Грохоты Феррариса применяются для кусков угля крупностью обычно не выше 40 мм. Основные показатели грохотов Феррариса приведены в табл. 25. По качеству сортировки грохоты Феррариса стоят на первом месте. К достоинствам их относятся также дешевизна и простота конструкции, удобство надзора за грохо- чением и легкость ремонта. Недостатками этих гро- хотов являются довольно частые поломки пружиня- щих деревянных пластин и эксцентриковых тяг, а так- же вибрации, передаваемые зданию. Для уменьшения вибра- ций здания и для улучше- ния условий работы при- водного вала грохоты Фер- рариса иногда соединяют попарно на общей фунда- ментной раме и приводят в движение от одного .вала, причем одновременные ка- чания грохотов производят- ся в противоположных па- Рис. 8. Грохот Кокса. правлениях. Грохот системы Кокса. Грохот системы Кокса (рис. 8) чрезвычайно прост и компактен по конструкции. Грохочение «от крупного к мел- кому» может производиться на 5 и более классов, в зависимости от числа решет. Круговое движение сит в горизонтальной плоскости вызывает петлеобразное движение угля по грохоту. Для сползания угля с сит 54
достаточен наклон 2—5°. Производительность сит высока при хоро- шем качестве сортировки. Круговые грохоты применяются для угля различной крупности. Сита берутся с отверстиями от 3 до 100 мм. Наклон сит тем больше, чем меньше сортируемый уголь. Обычные размеры сит от 800 X 1000 мм до 2200 X 4000 мм при производительности грохота от 10 до 250 т/час. Число оборотов грохота при радиусе вращения 50 мм около 150 в минуту. Вибрационные грохоты. В вибрационных грохотах проволочное сито получает быстрые колебательные движения в направлении, нормаль- ном к поверхности сита. Амплитуда колебаний обычно не более 3 мм, а число полных колебаний от 1500 до 3000 в минуту. Быстрые колебания в вертикальной плоскости способствуют бы- строму прохождению мелких частиц угля между крупными и прова- ливанию их сквозь сито, причем обеспечивается почти полное разде- ление (98—99%). Для передвижения угля, грохоту придают соответствующий уклон и уголь перемещается по ситу почти исключительно под действием силы тяжести. Слишком большой наклон, увели- чивая производительность грохота, понижает каче- ство сортировки. Работа грохота зави- сит от толщины слоя угля на сите. При слишком толстом слое нарушает- ся правильность вибра- ции грохота, при слиш- ком тонком частицы угля перескакивают через от- верстия сита, не прова- ливаясь. По конструктивным соображениям вибрацион- ные грохоты не могут быть больших размеров и обычно имеют только одно сито. Для разделе- ния по классам вибра- Рис. 9. Внешний вид цилиндрического барабан- ного грохота (вид со стороны загрузки). иконные грохоты устанавливаются в последовательном порядке. Главное применение вибрационные грохоты получили для сорти- ровки мелких углей и особенно для отделения сухой пыли от угля. В ряде систем вибрация грохота осуществляется посредством быстро вращающихся на раме грохота маховиков с неуравновешен- ными массами. По принципу работы механизма грохоты этого типа называются также инерционными. Инерционные грохоты весьма просты по кон- струкции и дешевле вибрационных грохотов. Сита инерционных грохо- тов вибрируют вместе с рамой, поэтому служба их продолжительнее, а производительность несколько больше по сравнению с системами, в которых вибрационный механизм действует непосредственно и только на сито. Барабанные грохоты. Внешний вид цилиндрического барабанного грохота для грохочения «от мелкого к крупному» показан иа рис. 9. Барабанные грохоты применяются также для грохочения по методу 55
«от крупного к мелкому»; в этом случае сита располагаются концен- трически, что значительно уменьшает длину барабана. Уголь, сползая и пересыпаясь по ситам, при медленном вращении последних продвигается вперед вследствие наклона барабана. Для со- хранения горизонтального положения оси вращения можно сита сделать в виде усеченного конуса. Благодаря медленному и равномерному вращению барабанные гро- хоты работают спокойно, без толчков и сотрясений. Барабанные грохоты отличаются долговечностью и требуют сравнительно ред- кого ремонта. По производительности и затрате силы на грохочение барабанные грохоты значительно уступают плоским. В барабанном грохоте уголь занимает не более 1/6 части поверхности сит, тогда как в плоских работает почти вся поверх- ность сита. Кроме того, крупные классы угля в барабанных грохотах подвергаются большему дроблению. К недостаткам барабанных грохотов следует отнести также сильное пылеобразование, вследствие чего при грохочении сухих углей грохот не- обходимо покрывать сплошным кожухом. Для барабанных грохотов обычно применяются штампованные стальные сита Угол наклона цилиндрических грохотов чаще всего 3—7°. Число оборотов в минуту: 8 14 от п = —до Л = —, Vr Vr где R — ргщпус барабана в м. Производительность барабан- ных грохотов 60—200 т/час и бо- лее. При диаметре отверстий сита в 25 мм производительность 1 м1 сита барабанного грохота 2,5—4 т/час, тогда как те же сита на плоских грохотах дают до 20 т/час на 1 ml. Дробление углей Дробление угля имеет целью или уменьшение ве- личины крупных кусков или размол угля до определен- ной тонкости помола. При дроблении антраци- товой плиты или крупных кусков кокса до размеров, наиболее удобных для даль- нейшего использования, а также при дроблении угля перед мокрым обогащением следует по возможности избегать образования ме- лочи и пыли. В этих случаях применяются дробилки, дей- ствие которых основано на принципе раскалывания и раздавливания. Соответ- ствующими типами дробиль- ных машин будут щековые дробилки и зубчатые валки. Для дробления углей перед коксованием заготовленная шихта дробится сразу или по отдельным компонентам до сравнительно тонкого помола маши- нами, действующими по принципу удара или удара и истирания. К этому типу машин относятся дезинтеграторы и молотковые дробилки. Крупный уголь предварительно отсеивается и дробится на валковых 56
или щековых дробилках. Нередко предварительное дробление произ- водится на дробилках Бредфорда. Щековые дробилки. Наиболее распространенным типом щековых дробилок является дробилка Блек а, схематически изображен- ная на рис. 10. Чугунные или стальные щеки имеют глубокие нариф- ления. Одна щека укреплена неподвижно, другая подвешена на оси, расположенной выше загрузочного отверстия. Колебания подвешенной щеке сообщаются эксцентриком 1 при посредстве рычажных распорок 2. Тяга 3, снабженная пружиной, ускоряет обратное движение щеки и эластично скрепляет рычажный механизм. Маховики, насаженные на приводной вал, накапливают энергию во время раздвигания щек и отдают ее при сжатии. Число оборотов вала в зависимости от раз- меров дробилки от 500 до 150 в минуту, в очень больших дробилках — 50 и меньше. При каждом качании подвижной кусков угля, заклинивающихся между рифлений одной щеки, расположенные против углублений другой, вызывают раскалывание кусков угля, тем са- мым предохраняя уголь от излишнего измельчения. При каждом отходе щек материал спускается под действием тяжести, испытывая таким образом последовательный ряд сжатий, пока не выпадет из нижней щели, шири- ной которой определяется величина дробленого материала. Дробилки Блека весьма широко щеки происходит раздавливание щеками. При этом выступы на- Рис. 11. Двухвалковая дробилка. распространены и применяются для дробления различных материалов. В соответствии с этим конструкции их чрезвычайно разнообразны. Дробилки Блека строятся различных размеров, от небольших до огром- ных машин производительностью 2500 т/час. При измельчении круп- ного угля применяются дробилки производительностью от 100 до 300 т/час. Дробилки Блека дешевы, надежны и удобны в эксплоатации; недо- статком их является выдача неравномерного продукта. Валковые дробилки. Наиболее простая валковая дробилка (рис. 11) состоит из двух гладких цилиндрических валков, вращающихся в про- тивоположных направлениях, установленных на общей раме так, чтобы щель между поверхностями валков соответствовала заданной величине дробления. Валки покрыты кожухом, на верху которого имеется загру- зочное устройство. Подшипники одного валка неподвижны, подшип- ники другого могут в известных пределах передвигаться по раме, по- зволяя изменять расстояние между валками. Такое устройство предо- храняет валки от поломки в случае попадания в дробилку твердых предметов. На прежнее место подшипники возвращаются действием пружин. Расстояние между валками (ширина щели) регулируется установ- кой между подшипниками планок соответствующей толщины. Гладкие валки применяются преимущественно для среднего дро- бления и делаются диаметром от 600 до 1500 мм. Длина валков обычно значительно меньше диаметра (от 1/2 до 1/5). Окружная ско- рость составляет от 3 до 5 м/сек. Благодаря большим вращающимся массам валковые дробилки ра- ботают спокойно без толчков. Недостатками гладких валковых дроби- лок являются их громоздкость и дороговизна при сравнительно малой производительности, а главное большое образование мелочи и пыли. 57
Поэтому при дроблении углей применяются одновалковые и двух- валковые дробилки с зубьями. Гладкие валки дробят уголь раздавливанием, действие зубчатых основано на раскалывании. Диаметр зубчатых валков может быть небольшим (в три-четыре раза больше поперечника крупных кусков угля). Давление, испыты- ваемое валками при дроблении, благодаря раскалывающему действию при дроблении, благодаря раскалывающему действию зубцов значительно снижается, что позволяет делать всю кон- струкцию более легкой. В одновалковой дробилке (рис. 12) зубья делаются обыч- но двух размеров: большие служат для захватывания уг- ля и раскалывания крупных кусков, меньшие для последую- щего раскалывания небольших кусков угля. Зубья в двух- валковых дробилках входят в промежутки между рядами. Число оборотов одновалковых Рис. 12. Одновалковая дробилка с зубьями, дробилок от 40 до 120 в ми- нуту. Основные показатели дробилок Греппеля разных размеров приве- дены в табл. 26. Одновалковые дробилки применяются преимущественно для дро- бления крупного угля, двухвалковые — для среднего дробления. На рис. 13 показан разрез комбинированной трехвалковой дро- билки Греппеля. Верхний валок с четырьмя большими зубцами служит для предварительного дро- бления. Размеры валков, чис- ло оборотов и производи- тельность вполне соответ- ствуют данным для двух- валковых дробилок. Расход энергии на 20% больше, при- чем дробится уголь значи- тельно большей крупности. Зубчатые валковые дро- билки сравнительно с дру- гими дробильными машина- ми потребляют значительно меньше энергии и дают про- дукт с наименьшим содер- жанием мелочи. Поэтому на обогатительных фабриках, ТАБЛИЦА 26 Основные показатели дробилок Греппеля разных размеров Показатели Численные величины их Диаметр валков в мм . . 750 750 1000 Длина валков 750 1200 1500 Число об/мин Производительность 175 175 175 в т{ч.ас Ширина щелн между 40 60 100 валками в мм 80 80 100 Требуемая мощность в л. с. 18-20 25-30 35-40 Вес в т 6,2 8,8 12,5 где появление мелочи всегда нежелательно, применяются почти исклю- чительно зубчатые валковые дробилки. Дезинтеграторы и молотковые дробилки. Эти машины применяются в тех случаях, когда поступающий на дробление материал должен быть мелко размолот и содержание пыли в дробленом угле особого значения не имеет; поэтому их широко применяют для окончательного дробления шихты, идущей на коксование. Разрез дезинтегратора системы Карра показан на рис. 14. Посту- пающий в дезинтегратор уголь при падении встречает ряды быстро двигающихся в противоположном направлении стальных стержней би- чей 7 и от последовательных сильных и частых ударов разбивается 58
в мелочь. Стержни укреплены концентрическими рядами на двух ди- сках 2, причем стержни одного диска входят в промежутки между рядами стержней другого. Каждый диск (обычно с двумя рядами стерж- ней) насажен на отдельный вал 3. Валы вращаются с одинаковой ско- Рис. 13. Разрез комбинированной трехвалковой дробилки Греппеля с зубьями. ростью в противоположные стороны. Большие дезинтеграторы перера- батывают 100 т и более угля в час. Диаметр дисков (корзин) больших дезинтеграторов до 2500 мм, длина бичей 600 мм. Число оборотов от 200 до 240 в минуту. Дезинтеграторы дают достаточно мелкий помол. Обычно через сито с отверстиями в 3 мм про- ходит 80—85% помола. Мягкий уголь в дезин- теграторе дробится силь- нее твердого и вязкого. Это является недостат- ком при помоле коксовой шихты из компонентов различной твердости, так как для хорошей ших- ты обычно важен особо тонкий помол твердых уг- лей. Молотковые дробил- ки дают более ровный по- мол, в известной степени позволяют регулировать его величину, отличаются компактностью и надеж- ностью в работе и рас- ходуют меньше энергии на измельчение угля, чем дезинтеграторы. Благо- даря большой производительности капитальные затраты на обо- рудование дробилного отделения значительно уменьшаются. Поэтому молотковые дробилки имеют преимущества перед дезинтеграторами при измельчении угольной шихты для коксовых печей. На рис. 15 показан продольный разрез американской молотковой дробилки «Пенсильвания». Конструкция и действие дробилки понятны 59
из чертежа. На массивном валу дробилки 1 наглухо насажен ряд ди- сков 2, отделенных друг от друга шайбами 3. Через диски пропущены восемь круглых стержней 4, на которых свободно подвешены мо- лотки 5. При вращении вала молотки под влиянием центробежной силы принимают радиальное направление. Куски поступающего в дро- билку угля раньше всего разбиваются налету ударом молотков и отбрасываются вниз на плиту, непосредственно примыкающую к сталь- ному ситу 7, ограничивающему нижнюю часть рабочего пространства дробилки. Сито состоит из стальных изогнутых листов (с отвер- стиями), укрепленных на массивных рамах. При помощи регулирую- щего устройства 6 можно изменять положение сит, приближая или удаляя их от молотков. Перед пуском дробилки сита несколько опу- скают, а затем медленно приподнимают почти до соприкосновения с вращающимися молотками. Под влиянием ударов молотками и под Рис. 15. Американская молотковая дробилка „Пенсильвания* (продольный разрез): 1—-вал; 2—диски, укрепленные на валу; 3—шайбы между дисками; 4—стержни; 5—молотки; 5—-регулирующее устройство; 7—стальное сито. действием центробежной силы уголь, прижимаясь к ситу, стремится двигаться по тангенциальному направлению. Благодаря этому через сито, несмотря на довольно большие отверстия (25 мм и более), про- валивается только сильно измельченный уголь. Кусочки угля, переле- тая через отверстия и ударяясь о противоположный край, задержи- ваются. Настигающий молоток разбивает их и, несколько отклоняясь назад, отчасти растирает по ситу. Молотки и листы сит изготовляются из специальной стали. Обычно молотки приходится переворачивать раз в месяц. Сита служат 2—3 месяца. Мелкие железные предметы, случайно попавшие в дробилку, пройдя над ситом, отбрасываются в особый карман кожуха. Однако это сильно увеличивает износ мо- лотков и сит, поэтому уголь, поступающий на дробление в молотковые дробилки, так же как и в дезинтеграторы, следует предварительно пропускать через магнитный сепаратор. Молотковые дробилки применяются для измельчения углей обачно 40—80 мм и не крупнее 80—100 мм. Содержание в помоле класса угля ниже 3 мм обычно со- 60
ставляет около 85%. Дробилки могут быть отрегулированы н на более крупный помол 6—8 мм; производительность нх при этом несколько повышается. Молотковые дробнлкя строят производительностью от 20 до 250 т/час и более. Дробилка «Пенсильвания» производительностью 225—285 т/час имеет размеры фун- даментной плиты -2920 X 2840 мм. Высота до 'верхнего кожуха 1750 мм. Вес около 19 г. Число оборотов ротора 750 в минуту. Ротор дробилки имеет 270 молотков. Потребная мощность в зависимости от твердости угля и тонкости размола 200— 340 л. с. Вращение дробилок обычно осуществляется непосредственным соединением с валом мотора, часто синхронного. Эффективность работы молотковых дробилок зависит от равномерной подачи угля; поэтому непосредственно над дробилкой устанавливается питатель. При влажности угля выше 8% производительность молотковых дробилок пони- жается вследствие замазывания решет мелким углем. В этом отношении молотко- вые дробилки несколько уступают дезинтеграторам, в которых можно перерабаты- вать влажные угли. Породоотборка Рис. 16. Схема качающегося грохота Алларда: /—контрольное снто; 2—колосники. Куски породы, отличающиеся от угля по цвету, блеску и форме, отбираются вручную. Крупные куски породы отбираются еще в шахте при добыче, а также на поверхности до погрузки угля в вагоны. Руч- ная породоотборка значительно облегчается предварительным отсевом мелочи. На углесортировках и углеобогатительных фабриках ручная породоотборка применяется для классов угля выше 50—100 мм. Плоские грохоты или транспортерные ленты. При сортировке угля по классам крупности отборка породы может производиться или не- посредственно с плоских грохо- тов, или с транспортерных лент, передающих грохоченый уголь. Движение ленты в таком слу- чае не должно быть быстрее 0,3 м/сек, рабочие должны стоять на расстоянии от 1,0 до 1,5 м друг от друга. Ширина ленты при отборке с одной стороны не дол- жна превышать 750 мм, при отборке с двух сторон ши- рина ленты может быть 1200— 1400 мм. Вращающиеся породоотборные столй. Вместо породоотборной ленты иногда устанавливаются вращающиеся столы. Используя различные свойства породы и угля, можно осуще- ствить и механическую породо- отборку. Грохоты для сортировки по форме куска. Для отделения от углей плоского сланца, нередко составляющего значительную часть породы, может быть применен принцип обогащения по форме куска. Отсеян- ный от мелочи уголь пропускается через неподвижный или качаю- щийся грохот с колосниками специальной крышевидной формы. Пло- ские куски сланца проваливаются в щели между колосниками, а куски угля двигаются по поверхности грохота к выходу. Из аппаратов, построенных по этому принципу, следует отметить качающийся грохот Алларда (рис. 16), снабженный контрольным си- том 1, укрепленным под колосниками 2. Особая форма ступенчатых колосников с постепенно увеличивающимся наклоном боковых по- верхностей и с расширяющейся щелью. способствует более полному отделению сланца. 61
Отделенный сланец скользит по контрольному ситу, отсеиваясь от мелкого угля, проваливающегося через колосники вместе со сланцем. Дробилка Бредфорда. Дробилка Бредфорда часто применяется для дробления углей, порода в которых состоит из сравнительно крупных кусков более прочных, чем куски угля. Одновременно с дроблением угля осуществляется и отделение породы. По наружному виду дробилка Бредфорда напоминает цилиндри- ческий барабанный грохот, установленный горизонтально. Решета гро- хота из стальных плит толщиной обычно 20 мм прикреплены болтами к поперечным балкам. При вращении барабана уголь поднимается на высоту примерно 2/3 диаметра барабана и, падая, разбивается о стальные плиты сит. Измельченный уголь проваливается, остаток, продвигаясь между на- правляющими лопатками, несколько сдвигается по оси барабана по направлению к выходному отверстию. В дробилке Бредфорда дробление производится исключительно си- лою удара при падении. Высота падения зависит от диаметра бара- бана. Для увеличения высоты подъема угля полками последним при- дают небольшой уклон в сторону вращения барабана. Скорость про- движения загрузки вдоль по барабану, а следовательно, и число уда- ров, которым подвергаются куски материала, регулируются установкой направляющих лопаток. При падении дробятся в первую очередь менее твердые части, а куски раскалываются по более слабым прослойкам. Вязкий и более прочный материал, большей частью порода, а также случайно попавшие в уголь куски железа и дерева проходят весь барабан и выбрасываются через разгрузочное отверстие. Дробилки Бредфорда строятся обычно размерами по диаметру ба- рабана от 1830 до 3660 мм. Длина барабана (от 1 до 2 его диаметров) выбирается в зависимости от свойства дробимого угля и породы. При величине отверстий в ситах 38—50 мм производительность малых дробилок составляет до 60 т/час и больших — до 480 т/час. Обычное число оборотов в минуту 20. Порода после дробилок Бредфорда содержит всегда значительное количество угля. Вместе с породой и твердым углистым сланцем из дробилки выбрасываются и отдельные куски сравнительно чистого, но твердого угля. Поэтому отходы из дробилки Бредфорда, количество которых при отверстиях решет дробилки в 40 мм часто составляет около 5% от исходного угля, могут быть использованы в дальней- шем. Дробилка Бредфорда может быть применена для избирательного дробления с целью разделения углей на петрографические компоненты. Дюрен как наиболее твердый и вязкий ингредиент останется преиму- щественно в отходах. Мягкий и рыхлый фюзен и хрупкий витрен отсеются через решета дробилки и в дальнейшем могут быть более или менее полно разделены пневматическим способом или на вибра- ционных грохотах. Обогащение углей по удельному весу Удельный вес чистого угля, отделенного от прослоек, включений и механически примешанной породы, колеблется от 1,12 до 1,25 в за- висимости от петрографического состава угля, содержания в нем ле- тучих и неотделяемой обогащением внутренней золы. Для каменных углей содержание внутренней золы обычно не превышает 3%. Удельный вес породы, состоящей из сланцев и. песчаника, коле- блется от 2,0 до 2,6; углистого сланца и глины 1,6—2,2; колчедана — около 5. 62 *
Уголь, измельченный до такой тонкости помола, при которой бу- дут разрушены и отделены все прослойки и включения, можно при обработке его жидкостью уд. веса 1,25—1,40 сразу почти полностью освободить от выпадающей в осадок породы. При непосредственной обработке рядового угля жидкостью уд. веса 1,25 наряду со сравнительно чистым мелким углем всплывут и более крупные куски угля с прослойками и включениями. При удельном весе угля 1,15 содержание золы в таких кусках может составить 11 —12%, как это видно из простого расчета, если принять удельный вес прослоек равным 2,0. Такие куски при обогащении угля должны быть предвари- тельно раздроблены. В технике мокрого обогащения наиболее дорогой по оборудованию и эксплоатационным расходам и трудной операцией является обработка угольных и породных шламов. Потери угля со шламом понижают вы- ход мытого продукта. Все куски достаточно чистого угля, как и все куски породы, должны поэтому отделяться по возможности без измельчения. «Не дробить ничего лишнего» — основное правило углеобогатительных установок. Для углей различной крупности применяются и различные обога- тительные устройства. Поэтому при проектировании углеобогатитель- ных фабрик прежде всего необходимо таблица 27 знать состав угля по классам круп- ности (ситовой анализ), содержание золы в каждом классе и характери- стику обогатимости угля для каждого класса. Ситовой анализ сравнительно много- зольного угля со средней зольностью и 22,64% приведен в табл. 27. Из табл. 27 видно, что наиболее чистой частью этого угля являются классы 13—6 мм. Крупные классы очевидно содержат много слоистых кусков угля и породы. В классе ниже 3 мм собралась мелочь породы. Методы определения обогатимости в тяже- лых жидкостях. Для определения относитель- ной характеристики обогатимости, пробу угля подвергают последовательному расслаиванию в. тяжелых жидкостях уд, веса от 1,2 до 1,75. В качестве тяжелой жидкости обычно при- Ситовой анализ многозольного угля Класс угля в мм Выход угля В °/о Содер- жание золы В °/о Выше 80 ... . 1,0 32,81 80-25 8,7 31,32 25-13 20,1 19,27 13-6 2,2 12,80 6-3 31,0 14,12 3-1 13,9 18,26 1-0 23,1 36,88 100,0 22,64 меняют водные растворы хлористого цинка. Удельный вес водных растворов хло- ристого цинка при комнатной температуре может быть доведен до 1,75 (при со- держании около 60% ZnCh). Из органических жидкостей чаще всего пользуются четыреххлористым углеродом, удельный вес которого при 15° равен 1,61. Для понижения удельного веса четыреххлористый углерод разбавляется бензином. Испытание пробы угля в тяжелых жидкостях начинают с жидкости с наимень- шим удельным весом. Собрав всплывшую часть, промывают (если обогащение про- изводилось раствором ZnCl»), высушивают, взвешивают и определяют в ней содер- жание золы и серы. Остаток помещают в сосуд с более тяжелой жидкостью, повто- ряя операции вплоть до погружения остатка в жидкость с уд. весом 1,7—1,75. Отдельные классы по крупности будут сильно отличаться по своей относитель- ной обогатимости. Поэтому для того чтобы использовать различную обогатимость отдельных классов угля и составить технологическую схему обогащения, дающую наиболее эффективные результаты, необходимо предварительно исследовать обога- тимость угля в тяжелых жидкостях и по отдельным классам крупности. Результаты исследований обогатимости углей могут быть представлены на диа- граммах в виде кривых обогатимости Анри (рис. 17, 18 и 19). По оси ординат откладывают выход всплывающей части (фракции) исследуе- мого угля, а на оси абсцисс — содержание золы в % (или серы — при исследовании обогатимости угля серой) в соответствующих фракциях угля. По виду кривой 1 распределения золы можно сразу получить представление об относительной обогатимости углей. На рис. 17, 18 и 19 даны три диаграммы для углей легкой, средней и трудной обогатимости. 63
На рис. 17 кривая распределения золы быстро падает почти вертикально, а за- тем резко принимает почти параллельное оси абсцисс направление. По кривой золь- ности концентрата II видно, что при выходе концентрата 92% зольность его дол- жна составлять около 2,5%. Зольность породы по кривой III будет около 72% при выходе 8%. Уголь легко обогатим. Для углей средней обогатимости (рис. 18) изгиб кривой распределения золы в угле (кривая I) появляется значительно выше, а затем начинается пологий спуск. О Ю го 30 40 50 60 70 ВО W юо Содержание зилы в ’4 Рис. 17. Кривые обогатимости 'для легкообогатимых углей. Содержание залы в % Рис. 18. Кривые обогатимости для среднеобогатимых углей. При содержании золы в концентрате (кривая II) 5% выход его составит около 80%, причем максимальная зольность наиболее тяжелых частиц угля в концентрате будет до 35%, как это видно по кривой I. Кроме концентрата из угля может быть выде- лен полупродукт в количестве около 10% (очерченный на диаграмме горизонталь- ными линиями) с зольностью 52%. Полу- продукт может быть использован как топли- во или после дробления возвращен для вто- ричного обогащения. Кривая I (рис. 19) дает пример трудно обогатимых углей. Метод обогащения углей в тяжелых жидкостях не получил промышленного применения, но значение его в лаборато- рии для изучения обогатимости углей очень велико, так как он позволяет получить необходимые предварительные данные для правильного проектирования углеобогати- тельных фабрик. Исследование углей дол- жно производиться по классам крупности их в соответствии с ситовыми анализами; в отдельных случаях должна быть испытана целесообразность дробления полупродукта. Теоретические данные, получаемые по кривым Анри, хорошо согласуются с про- мышленными результатами надлежащим Рис. 19. Кривые обогатимости для образом спроектированных обогатительных труднообогатимых углей. фабрик. , Обогащение углей по удельному весу производится механическим путем в движущейся воде или в токе воздуха. Соответ- ственно этому различают мокрое и сухое обогащение. Мокрое обогащение Теория и схемы мокрого обогащения. Скорость падения тел в воде зависит от удельного веса, размеров и формы тела. При одном и том же удельном весе крупные тела падают или всплывают в воде быстрее мелких. Из двух тел одинаковой формы и объема, тонущих в воде, быстрее опускается более тяжелое тело (в дальнейшем для €4
упрощения форма тела принята шарообразной). В таком случае кусок породы (уд. веса 2,0—2,2) будет падать в воде с одинаковой ско- ростью с куском угля (уд. веса 1,10—1,25) только в том случае, если кусок угля будет больше куска породы в определенное число раз. Ку- ски породы и угля, более близкие по размеру, разделятся: куски по- роды будут опережать уголь. На этом основано действие большин- ства машин, в которых обогащение производится водой. В начале падения тела с массой т, когда вследствие малых скоростей движе- ния можно пренебречь динамическим воздействием воды, ускорение скорости паде- ния i может быть найдено из соотношения: i • т_вес тела в воде о — 1 g-m вес тела 8 откуда: (14) (15) где g— ускорение силы тяжести = 9,81; § — удельный вес тела. Следовательно, в начале падения тела скорость его в воде зависит исключи- тельно от его удельного веса и будет тем больше, чем больше удельный вес. При падении тела в воде с определенной скоростью v динамическое сопроти- вление воды Р пропорционально (если не учитывать вязкости) горизонтальной проек- ции тела и квадрату скорости движения: P = Kt —/Qd-v2. (16) Вес тела в воде: ltd3 Р = 2^-(5-1) = л:з(/з(5_1). (17) Очевидно, движение тела станет равномерным при: А'2</-'п2=^Р(5_1)1 (18) откуда V = 1/"= К Vd(b-\). (19) Таким образом, пройдя в воде некоторый путь с постепенно уменьшающимся ускорением, тело будет продолжать дальнейшее падение равномерно со скоростью, зависящей от диаметра и удельного веса тела. Два тела будут падать с равной скоростью, когда: К/^(61 — 1) = К /М^Т), (20) откуда, при одинаковом значении К-. dl \ 1 _ г- МП d2 ot—f ^Риттингера- > Отношение диаметров, при которых тела различного удельного веса падают в воде с одинаковой конечной скоростью, называется коэфициентом равиопадае- мости. _______ Формула v = К V(d (6—1) предложена Риттингером; поэтому коэфициент равнопа- даемости, выведенный из этой формулы, называется коэфициентом равнопадаемости по Риттингеру. Сопротивление вязкой жидкости при падении в ней мелких тел определяется по формуле Стокса: Р=6п|л/?о, (22) где R — радиус тела; р. — коэфициент вязкости жидкости. При постояином р: Р = К{ • d • v. (23) 65 5 Зак. 3610. Общая химия, технология топлива.
Из условия равномерного движения Ki-d.v = K^^— 1) (24> следует v -K-d^b — 1). (25) Таким образом, для равнопадаемости двух тел в вязкой жидкости необходимо,, чтобы: —1) = W(8» —1), (26) откуда коэфициеит равнопадаемости по Стоксу: К — — — 1/"-*• (27) «Стоке» — d, - У dl—Г Коэфициеит равнопадаемости, выведенный из эмпирической формулы конечной скорости падения тел в воде и предложенный Алленом, имеет вид: iz ____dj -./"(Sa I)2 (28> «Аллен. - d2 - У (81 - 1)2- W Для удобства запоминания можно написать: «Риттивгера—«Аллена _ \ ’ «Стоке» ______jy • В качестве примера коэфициенты равнопадаемости для смеси сланца (5s = 2,2) и угля (Si=l,3) будут: ^Риттн нгера j 3 р Таким образом, куски угля размером 80 мм будут падать в воде с одинаковой конечной скоростью с кусками сланца в 20 мм. Следовательно, при падении в воде класса крупностью в пределах более узких, чем 80—20 мм, можно ожидать пол- ного отделения угля от сланца, так как весь уголь размером меньше 80 мм будет падать медленнее сланца размером 20 леи и более. Очевидно, что тот же резуль- тат будет получен при промывке того же класса восходящим током воды, движу- щейся с достаточной скоростью. Скорость воды определяется формулой конечной скорости падения v = К УК(»—1) (29) и зависит, таким образом, от крупности класса. Весь уголь окажется при этом приподнятым водой, весь сланец осевшим. Формула Риттингера дает удовлетвори- тельные результаты для крупных классов угля, когда вязкость воды не имеет за- метного влияния. Для мелких классов необходимо пользоваться формулами Стокса. При работе моечных аппаратов в воде взвешена масса частиц, близко расположенных друг от друга. Движение воды в промежутках между частицами затрудняется и создается как бы подпор всей опу- скающейся массе. Для учета этого явления, называемого стесненным падением, воду рассматривают как жидкость с удельным весом 1 +а- В зависимости от плотности и характера взвешенных частиц значение а. по опытным данным определяется от 0,1 до 0,3. Таким образом, коэфициеит равнопадаемости при стесненном падении значи- тельно увеличивается. Это обстоятельство позволяет ограничиться раз- делением угля перед обогащением на меньшее число классов по круп- ности, для того чтобы при промывке отдельных классов получить 66
достаточно чистые концентраты и породу. Схема обогащения в таком случае будет такова: сперва разделение исходного угля на 2 или 3 класса по крупности, затем разделение в моечных аппаратах каждого класса на конечные продукты: концентрат и породу. На практике нередко применяют и другую схему. Исходный уголь после отделения от него пыли и мелочи ниже 2—1 мм поступает не- посредственно в промывной аппарат. В этом случае по законам равно- а падаемости в отмытом угле остается вся порода размером меньше ^.> где К коэфициент равнопадаемости и а размер крупных кусков угля. Отмытый уголь поступает на грохот с отверстиями 4? , на котором и разделяется на чистый концентрат и мелочь, поступающую в промы- вочные аппараты для мелкого угля. Схемы обогащения угля I II Исходный уголь 80—0 Исходный уголь 80—2 Ф Ф Грохочение Мойка 80—12 12—2 2—0 Продукт 80—2 Порода 80—20 Ф Ф ф Мойка Мойка Грохочение 4- Ф Ф ф Ф Ф Концентрат Порода Концентрат Порода Концентрат 80—20 Продукт 20—2 Ф Мойка Ф ф Концентрат Порода Эти схемы пригодны только для углей легкой обогатимости. При мойке углей средней обогатимости и труднообогатимых получаются промежуточные продукты: нечистый уголь или нечистая порода. Кон- струкции отдельных моечных аппаратов позволяют осуществлять в одном моечном аппарате разделение исходного угля на концентрат, промежуточный продукт и породу. В зависимости от количества и свойств, промежуточные продукты подвергаются дальнейшей обработке: дроблению, грохочению и вто- ричной мойке. Промежуточный продукт используется также непосред- ственно как топливо. Примерные схемы для углей средней и трудной обогатимости приводятся ниже. III Исходный уголь 80—0 Ф Грохочение Ф Ф Ф 80-12 12-1 Пыль Мойка Мойка Ф 4* Ф Ф Ф Ф Концентрат Пром. Порода Концентрат Пром. Порода продукт продукт Ф Дробление Ф________________________________________ Ф Мойка Ф Ф Ф Концентрат Пром. Порода продукт 5* 67
IV Исходный уголь 80—0 4 Грохочение 4 ф 80—40 40-12 ________Мойка_______ 4 4 4 '' Концентрат Пром. Порода Мойка продукт I | Концентрат Пром, продукт Дробление Дробление I I 4 4 12—1 Пыль ________Мойка 4_______4 Концентрат Пром. । продукт Порода 4 Порода 4 12—3 4 Мойка 4 4 4 Концентрат Пром. Порода продукт 4 Грохочение 3-0 4 Мойка 4 4 Концентрат Хвосты Остающийся промежуточный продукт используется как топливо. Получающиеся при мойке шламы и хвосты в отдельных случаях обра- батываются методом флотации для выделения из них мелкого угля. Обогащение угля в восходящем токе воды до настоящего времени является наиболее распространенным методом мокрого обогащения, главным образом для углей крупных и средних классов. Применяемые при этом моечные аппараты можно подразделить на две группы: на аппараты с непрерывно восходящим потоком воды и на аппараты с пульсирующим восходящим потоком, так называемые отсадочные машины различных конструкций. В зависимости от крупности перера- батываемого угля отсадочные машины можно, в свою очередь, под- разделить на машины для крупного и мелкого угля. Другим методом мокрого обогащения является более ранний спо- соб отмывки руд в струе текущей воды, получивший за последнее время довольно широкое распространение и для обогащения углей. Построенные по этому методу обогатительные установки носят общее название реомоек. Основной частью аппаратов реомойки являются слегка наклонные желоба, по которым течет вода, увлекающая обога- щаемый уголь. Поэтому эти аппараты часто называются желобными. Более крупные и более тяжелые части, оседая на дно, задерживаются на нем или перемещаются медленнее вследствие большего трения. Коэфициент равнопадаемости, выведенный для падения тел в восходящем токе воды, в данном случае может быть заменен коэфициентом равного перемещения по желобу: rft_(82—П (A —tga) A (St—1) ’ (A-tga)’ (30) где a.— угол наклона желоба; fi и fa — коэфнциенты трения угля и породы. Коэфициент равного перемещения, как это видно из вышеприведенной фор мулы, отличается от коэфициента равнопадаемости Риттингера на множитель так как ft всегда меньше fa. A —tg* > t A —tga (31) Благодаря большому коэфициенту равного перемещения в рео- мойке можно обогащать исходный уголь, отделенный от мелочи, без 68
предварительного рассева его по классам крупности. Следует отме- тить, что округлая форма кусков и частиц угля по сравнению с более плоской формой сланца также способствует лучшему отделению угля от породы в желобах реомойки. Аппараты реомойки разделяют обога- щаемый уголь на концентрат, промежуточный продукт и породу. Для обогащения мелких классов углей ниже 12 мм в настоящее время применяют концентрационные столы, действующие в основном» по принципу реомоек. Таким образом, аппараты для мокрого обогащения угля можно разделить на следующие группы: 1) аппараты с непрерывно восходя- щим потоком воды; 2) отсадочные машины; 3) реомойки; 4) концен- трационные столы. Моечные аппараты с непрерывно восходящим потоком воды. Гид- росепаратор Мензиса. Разрез гидросепаратора Мензиса в дей- ствии представлен на рис. 20. В рабочей камере 7, снабженной на- Рие . 20. Гидросепаратор Мензиса; 1—рабочая камера; 2—наклонная решетка; 3—центробежный насос: 4, 10 и 11—заслонки; 5—наклонный лоток; 6—неподвижное сито; 7—отстойный ящик; 8—регулирующий поплавок и 9—-ковшевой элеватор. клонной решеткой 2, создается непрерывно восходящий поток воды,, нагнетаемой под решетку центробежным насосом 3. Сверху из бункера, через заслонку 4, поступает в камеру обогащаемый уголь. Более тя- желая порода или полупродукт опускается на решетку и скользит по ней. Таким образом рабочая камера и породное отделение аппарата представляют собой сообщающиеся сосуды. Подымаемый восходящим потоком обогащенный уголь-концентрат выносится водой в наклонный лоток 5 и, спускаясь по неподвижному ситу 6, освобождается от воды. Вода стекает в отстойный ящик 7, осветляется от шлама и подается насосом обратно' под решетку рабочей камеры. В результате того что течение воды в рабочей камере стаснено взвешенным» углем, уровень воды »в породном отделении несколько выше. Чем интенсивнее посту- пает уголь в рабочую »камеру аппарата, тем разница уровней будет больше. На этом, основано дейстеие регулирующего поплавка 8, связан- ного рычагами с заслонками для угля и породы. Из породного отделе- ния порода удаляется небольшим »ковшевым элеватором 9. 69
Режим работы аппарата устанавливается путем изменения скорости восходящего потока шибером насоса и ручной регулировкой основных заслонок 4, 10 и 11. Гидросепаратор Мензиса требует предварительного разделения угля на несколько классов по крупности и применяется преимуще- ственно для легкообогатимых углей. При труднообогатимых углях гидросепараторы устанавливают последовательно каскадом по схеме — в первом промежуточный продукт и порода или концентрат и промежуточный продукт. Иногда в одном аппарате соединяют три гидросепаратора. Основные достоинства этих машин; дешевизна, компактность и про- стота конструкции, небольшой расход воды и сравнительно небольшая стоимость эксплоатации. Производительность гидросепараторов обычно не превышает 30—40 т/час. Рис. 21. Конус Чанса: 1—конус; 2—мешалка; 5, 5—грохоты; 4—пневматические шиберы; 6— брызгало; 7, 8—отстойники для песка и осветления воды; 9—насосы» по- дающие воду с песком в коиус. Конус Чанса. В конусе Чанса (рис. 21) рабочая камера предста- вляет собой конус 7, заполненный подымающейся вверх водой, в кото- рой с помощью мешалки 2 поддерживается во взвешенном состоянии речной или морской песок определенной крупности, обычно в пределах 0,2—0,3 мм. Работу конуса Чанса можно рассматривать как разделе- ние продукта в жидкости с удельным весом, промежуточным между весом воды и весом взвешенного в воде песка. Вода подается в конус на нескольких горизонтах. Уголь, предвари- тельно отсеянный от пыли и мелочи ниже 3—5 мм, поступает в верх- нюю часть конуса и, всплывая на поверхность жидкой массы, выно- сится водой через переточный порог. Части угля и породы, по мере спускания вниз, встречают более плотную взвешенную массу песка и большую скорость движущейся вверх воды. В результате создается смесь тонущих и всплывающих частей. 70
Регулируя скорость движения воды на различных горизонтах ко- нуса, можно при легкообогатимом угле получить сразу достаточно чет- кое разделение на концентрат и породу. При углях, более трудно обо- гатимых, можно по желанию направить промежуточный продукт вверх с углем или вниз с породой. Порода через разгрузочное приспособле- ние, снабженное двумя пневматическими шиберами 4, выгружается на грохот 5 для отделения от воды и песка. Обогащенный уголь вместе с водой и увлеченным песком после выхода из конуса попадает на обезвоживающий грохот 3, где для полного удаления песка дополнительно омывается через брызгало 6 чистой водой. Отмытый от угля и породы песок собирается в отстой- никах 7 и 8 и подается шламовыми насосами 9 вместе с водой на верх конуса со стороны поступления угля. Основное достоинство конусов Чанса — простота и дешевизна обо- рудования, большая производительность, а также возможность непо- средственной обработки углей размерами 100 и выше мм без предва- рительного разделения на классы по крупности. Конусы Чанса осо- бенно пригодны для легкообогатимых углей; в этом случае по резуль- татам работы они не уступают отсадочным машинам. При угле сред- ней и тяжелой обогатимости конусы Чанса могут быть с успехом использо- ваны для предварительного обогащения. Г 4 Отсадочные машины. Основную часть Лг "Tt отсадочной машины (рис. 22) предста- У/ UL вляет ящик 1, разделенный вертикальной ......и. —Д - не доходящей до дна перегородкой 2 на । I два отделения. В одном отделении дви- ~~ m р ? ' 2 жется четырехугольный поршень 3, в W \ 8 Ч IhN другом — укреплено неподвижное, гори- L JJi, зонтальное или слабо наклонное сито 4. 1 Вода подается в нижнюю часть ящика, \ 1 обычно со стороны поршня 5 и пе- \ реливается через слив б. Под влия- I' Г/—,>• нием колебательных движений воды, ' вызываемых качаниями поршня, обога- i WZ W'>/ щаемый уголь, поступающий на сито, расслаивается на породу, промежуточ- ный продукт и чистый уголь. Отверстия сита делаются меньше нижних размеров Рис. 22. Отсадочная машина, обогащаемого класса. При давлении /—ящик; 2—вертикальная перегородка; ___ г 3—поршень; 4—горизонтальное сито; ПОрШНЯ ВНИЗ ВОДЯ быстро поднимается 5— штуцер для ввода воды; 6—трубадля через СИТО ПОД совместным действием слива; 7—рычаги заслонок: поршня и свежего притока. При движении поршня вверх свежий приток воды замедляет ее опускание сквозь сито. Такое пульсирующее движение воды создает особо благоприятные условия для отделения угля от породы. Действительно, при движении воды вниз разделение взвешенного в воде материала происходит исключительно по удельному весу, так как скорость падения его по отношению к воде не велика. Прежде всего опускается порода, затем идет полупродукт и вверху остается чистый уголь. При движении воды вверх, по законам равнопадаемо- сти, при соответствующем классе крупности угля и скорости движе- ния воды вся порода остается внизу, а весь чистый уголь выносится наверх, промежуточный продукт находится между ними. После того как на сите накопится постель породы и слой промежуточного про- дукта, обогащенный уголь будет уходить из отсадочной машины че- 71
рез слив 6 вместе с водой. В зависимости от положения заслонок, с рычагами 7, регулирующих толщину породной постели, промежуточ- ный продукт может направляться частично с углем и частично с по- родой. При легкообогатимых углях довольствуются разделением на обогащенный уголь и породу, обычно же выделяют промежуточный продукт отдельно. Для этого две, а для труднообогатимых углей и три, отсадочные машины соединяются в одном аппарате. Производи- тельность трехсекционных отсадочных машин колеблется в зависимости от крупности угля от 6 до 7 т угля в час на 1 м2 сита. В первой секции происходит отделение породы, которая, подви- гаясь слоем по ситу, спускается через заслонку вниз, обогащенный же уголь вместе с промежуточным продуктом переносится водой через порог во вторую секцию машины. Здесь происходит отделение чис- того угля от промежуточного продукта, который, образуя на сите по- стель, спускается вниз, а чистый уголь выносится водой через слив на обезвоживающие грохоты. Порода и промежуточный продукт уда- ляются из машины ковшевыми элеваторами или другими устройст- вами. Для четкого разделения обогащаемого угля высота слоя породной постели на отсадочном сите должна быть определенных раз- меров: 300 мм и более. П(рИ разделении мелких углей применяют обычно искусственную постель из по- левого шпата (уд. вес 2,5—2,6; размеры кусков 30—50 мм для более крупного и 20—30 мм для мелкого угля). Отверстия в сите при этом делаются больше макси- мальных размеров кусков обогащаемого мелкого угля и меньше размеров кусков полевого шпата. Искусственная постель устраняет необходимость применения мел- ких снт, что упрощает конструкцию машины н главное значительно повышает чет- кость разделения, трудно достижимую при естественной постели, образуемой из мелких кусков породы. В отсадочных машинах этого типа порода или промежуточный продукт (смотря по схеме обогащения) засасывается пульсирующим потоком воды в щели между кусками полевого шпата и проваливается через отверстия сита на дно машины, откуда и удаляется элеваторами. При движении воды вверх постель полевого шпата несколько приподнимается и разрыхляется, причем из нее выносятся вверх более легкие зерна обогащаемого продукта. Имеются отсадочные машины для мелкого угля также и без полевошпатовой постели. Число полных качаний поршня (оборотов приводного вала) около 60 в минуту у машин для крупного угля и до 120 н выше — для мелкого. Значительным упрощением конструкции отсадочных машин явилось изобретение беспоршневых машин Баума, колебание воды в которых достигается действием, сжатого воздуха. Поршневое отделение в этих машинах заменено воздушной каме- рой. Золотниковое или клапанное устройство последовательно впускает в камеру воздух из воздухопровода компрессорной станции или выпускает воздух из камеры в атмосферу. Сжатый воздух, выгоняя воду, создает быстрый восходящий поток воды через отсадочное снто. Обратное движение воды вниз задерживается более медленным выходом воздуха из камеры в атмосферу. Равномерное поступление свежей воды еще более усиливает различие в скоростях восходящего н нисходя- щего потока. Работа сжатым воздухом допускает простую и легкую регулировку режима в достаточно широких пределах. Реомойки. Первые и наиболее простые реомойки были оборудованы в виде наклонных желобов с плоским дном и с поперечными пере- городками (порогами), как это схематически изображено на рис. 23. В желоб поступал обогащаемый уголь с двух- или трехкратным коли- чеством воды. Порода собиралась у порогов и при помощи механиче- ских приспособлений, скребков или шнеков выгребалась из желоба. Такие аппараты не могли дать четкого разделения, поэтому реомойки на- чали получать распространение только после усовершенствования, состо- явшего в присоединении к желобам особых породоотделительных ящиков. В отличие от реожелобов эти ящики обычно называются реоаппа- ратами. Реоаппараты с ящиками показаны на рис. 24 (А и Б). В реоап- парате создается восходящий поток воды, поступающей через щель в реожелоб.' Благодаря такому устройству более тяжелая порода, 72
преодолевая движение воды, проваливается через щель, более же лег- кие части угля выносятся водой обратно в желоб. Часть воды уходит из реоаппарата вниз вместе с отмываемой породой. Регулируя поступление воды в реоаппарат, можно установить ре- жим, при котором в отмываемой породе не будет промежуточного продукта, или при котором, если реоаппарат предназначен для отделе- ния промежуточного продукта, в последнем не будет концентрата. Реоаппарат для крупного угля показан на рис. 24, Б. Под щелью, соответствую- щей по размерам крупным кускам угля, укреплен ка- чающийся секторный за- Концентрат Нсходный уголь Порода Порода Рис. 23. Схема реомойки. твор из дырчатого железа, почти полностью закры- вающий щель. Проходящая все время через отверстия затвора вода вымывает из породы вверх более легкие части. Когда на затворе накапливается соответствующий слой породы, затвор отклоняется, пропуская часть породы. Порода падает из реоаппарата в небольшой бункер, непосредственно присоединенный к реоаппарату, и выгребается из бункера элеватором. Реожелоб, реоаппарат, бункер и элеватор пред- ставляют собой сообщающиеся со- суды. Таким образом вся подавае- мая в реоаппарат из водопровода Рис. 24. Реоаппараты: А—для мелкого угля; Б—для крупного угля. вода поступает в реожелоб и, разрыхляя материал в реожелобе, спо- собствует лучшему разделению его по удельному весу. Реожелобы имеют форму усеченного1 конуса. Верхняя часть рео- желоба устанавливается с большим наклоном в 10—15° для придания потоку воды и угля необходимой начальной скорости; рабочая часть реожелобов обычно имеет уклон 3—4°. Каждый реожелоб снабжается соответствующим числом реоаппаратов. Применяется и более сложная схема реомойки, состоящая из двух реожелобов. Работа первого желоба в данном случае регулируется таким образом, чтобы в перемывочном материале этого реожелоба оставалось некоторое количество чистого угля. Этим достигается вы- сокое качество концентрата, получаемого с первого реожелоба. По- рода первого реожелоба, содержащая в себе промежуточный продукт, передается на второй реожелоб. Перемывочный материал второго же- 73
лоба способствует лучшему отделению породы. Второй реожелоб регу- лируется на максимальную возможную зольность породы. Получаемый со второго реожелоба промежуточный продукт или используется как топливо, или поступает после дробления на реомойку мелкого угля. Реожелобы занимают мало места в высоту и с большим удобством располагаются каскадом, один под другим. При этом реоаппараты верхнего реожелоба выпускают осевший в них продукт непосред- ственно в реожелобы нижнего ряда. Отсутствие транспортеров придает чрезвычайную компактность всей установке. По четкости разделения обогащаемого угля на концентрат, проме- жуточный продукт и породу реомойки почти не уступают отсадоч- ным машинам. Расход воды и энергии меньше, а стоимость оборудо- вания и эксплоатационные расходы ниже. Концентрационные столы. Обогащение на концентрационных столах основано на действии текущей воды. Стекая по слабо наклон- ной поверхности стола, слой воды увлекает с собой концентрат, более же тяжелые частицы промежуточного продукта и породы, за- держиваясь на нарифлениях стола, передвигаются в результате не- равномерно-колебательных продольных движений стола к разгрузоч- ному краю. Концентрационный стол системы Вильфлея показан на рис. 25. Стол покрыт линолеумом, поверх которого в продольном направлении Рис. 25. Стол Вильфлея. набиты деревянные планки шириной около 8 мм с промежутками до 20 мм. Высота планок у головного края стола 10—15 мм, постепенно по длине стола уменьшается и сходит на-нет. Стол имеет небольшой наклон в поперечном направлении. Уголь поступает в загрузочный ящик у головного края стола, вместе с двойным количеством воды. В продольный желоб подается дополнительная вода. Стол получает быстрые колебательные движения (до 250 в минуту с амплитудой около 20—25 мм) в продольном направлении от диференциального движущего механизма. Движение вперед плавноускоренное, движение назад резко быстрое. В нарифлениях под влиянием движущейся воды и постоянных со- трясений обогащаемый материал разделяется по удельному весу. Порода задерживается планками и оседает, чистый уголь смывается водой через планки. Осевшая порода неравномерными колебательными движениями стола постепенно перемещается к хвостовому краю стола, выходит из нарифлений и смывается водой. Широко распространен концентрационный стол Дейстер-Оверстром. Особая форма стола и нарифления, собранные в группы и разделенные более высокими планками, способствуют четкому отделению полу- продукта от концентрата и породы. В зависимости от крупности обра- батываемого материала и содержания в нем промежуточного продукта 74
и породы продольному направлению придают некоторый подъем, за- медляющий передвижение породы. Столы Дейстер-Оверстрома позволяют весьма четко разделять ма- териал. Размеры концентрационных столов до 5000 X 2500 мм. Производи- тельность при крупном материале до 20 т/час, при обработке шламов 3 — 5 т/час. Недостатком концентрационных столов является их гро- мозкость. Флотационные машины. Для выделения угля из шламов на мойках в последнее время находят применение флотационные машины. Флотация является основным и наболее эффективным методом вы- деления концентрата металла из бедной предварительно мелко раз- дробленной руды. Процесс флотации основан на различной смачи- ваемости водой составных частей материала. Поверхность угля сравни- тельно плохо смачивается водой, тогда как глинистая порода, сланец и песчаник смачиваются хорошо. При взбалтывании обогащаемой угольной мелочи в воде вместе с небольшим количеством жидких масел (нефтяных, каменноугольных и др.) частички угля вследствие плохой смачиваемости водой обволакиваются тончайшим слоем масла. ис. 26. Разрез отдельной секции флотационной машины: 1—мешалка; 2—щель; 3— отстойный ящик; 4 — валы со скребками; 5—труба. Пузырьки воздуха, находящиеся в жидкости также как бы в тончай- шей масляной оболочке, слипаясь с частичками угля, поднимают их на поверхность вместе с пеной. Лучшее образование пены достигается прибавлением к жидкости небольшого количества пенообразующих веществ. Для обогащения угольной мелочи и шламов наибольшее распространение получили американские флотационные машины, разрез отдельной секции которой изображен на рис. 26. В отделение для перемешивания под быстро вращающуюся мешалку 1 поступает пульпа, состоящая из обогащаемого мелкого угля с пятикратным ко- личеством воды и необходимыми реагентами. Взболтанная с воздухом и вспененная жидкость через щель 2 перетекает в отстойные ящик 3. Поднявшаяся пена сдвигается вращением вала со скребками 4 в слив- ной желоб, а отстоявшаяся пульпа с оставшимся углем по трубе 5 засасывается в отделение для перемешивания следующей секции. Число секций в мешалке зависит от обогатимости угля. В первую сек- 75
цию поступает свежая пульпа. Отстойный ящик последней секции вы- пускает породу. Машины этого типа применяются для флотации углей крупностью зерна до 2,5 мм. Для шламов тоньше 0,5 мм применяются машины без мешалок, работающие с помощью сжатого воздуха. Чистота ча- стиц угля, поднимаемых пеной отдельных секций, различна. Чистый концентрат дают первые секции; в последующих в зависимости от обогатимости выделяется промежуточный продукт, направляемый в предназначенный для него сливной желоб. Чистота концентратов, получаемых на флотационных машинах, может быть весьма высокой; нередко угольные шламы с содержанием более 20% золы дают концентраты с зольностью менее 5%. Производительность флотационных машин при числе секций от 10 до 15, в зависимости от характера обогащаемого продукта, колеблется от 5 до 20 т/час. Стоимость флотации, в общем, невысока; удорожает процесс флотации некоторая сложность дальнейшего обезвоживания полученных концентратов. Обезвоживание Недостатком углемоек является повышенная влажность выпускае- мого обогащенного угля, особенно мелких классов, содержание влаги в которых достигает 12% и более Понижение производительности Рис. 27. Обезвоживающие бункеры: 1 — бункеры; 2— дренажные трубы; 3— круглые сита. коксовых печей, загружаемых влажной шихтой, заставляет обращать особое внимание на возможно полное обезвоживание концентрата. Первое отделение воды производится при выходе продуктов из моечных аппаратов в дырчатых ковшах элеваторов, а также на обез- воживающих грохотах, обычно типа грохотов Баума и Феррариса или на вибрационных грохотах — для мелкого угля. Для обезвоживания сгущенных угольных шламов применяются также обычные вакуум-фильтры. Чаще всего обезвоживание углей заканчивается в обезвоживающих бункерах (рис. 27), в которых мытый уголь сохраняется определенное время перед отправкой. Для лучшего обезвоживания бункеры (емкостью от 20 до 200 т и более) снабжаются дренажными трубами 2 и пропускающими воду ситами 3. 76
Для обезвоживания мытых углей получили большое распростра- нение также центрифуги. Производительность центрифуги около 40 т/час. Влажность угля уменьшается центрифугированием с 10—20 до 6—7%. Углемойки, оборудованные обезвоживающими устройствами, могут давать угольную шихту со средней влажностью 6—7%. Уменьшение влаги в шихте в отдельных случаях достигается добавкой в шихту немытых компонентов или сухой угольной пыли, если зольность по- следней не выходит из допустимых пределов. Промывные воды. Большое значение на углемойках имеет водяное хозяйство. Отработанная вода после отстаивания возвращается насо- сами снова на мойку. Количество оборотной воды на углемойках, обо- рудованных отсадочными машинами, составляет обычно от 6 до 9 м3 на 1 т обогащаемого угля. На реомойках количество оборотной воды несколько меньше. Во избежание насыщения солями, часть оборотной воды необходимо постоянно заменять свежей водой. Учитывая неиз- бежный унос воды увлажненным углем и породой, а также потери на разлив и испарение, общий невозвратимый расход воды при доста- точно оборудованном и хорошо налаженном водном хозяйстве следует считать примерно от 0,15 до 0,25 м3 на 1 т угля. Все промывные воды собираются и стекают или перекачиваются насосами в осветлительные бассейны. Из бассейнов осевший на дно шлам удаляется периоди- чески или непрерывно. Наиболее совершенными устройствами для этого являются сгустители Дорра, часто устанавливаемые на углемойках в верхнем этаже здания. Сгуститель Дорра представляет собой круглый железобетонный резервуар диамет- ром 20 м и более; глубиной 2—3 м, по дну которого медленно вращается кресто- вина с укрепленными на ней лопатками, сгребающими осадок к выпускной трубе, помещенной в центре дна резервуара. Крестовина приводится в движение верти- кальным валом, укрепленным на мосту, перекинутом через резервуар. Шламовые воды подаются трубой, уложенной по мосту, в центральную часть поверхности резервуара. Осветленная вода сливается через борт по всей окружности резервуара в водоотводную канаву и самотеком направляется к аппаратам углемойки. Сгусти- тели Дорра дают хорошо осветленную воду н достаточно густой шлам. Сухое обогащение Сухое обогащение осуществляется разделением обогащаемого продукта по удельному весу под действием восходящего потока воз- духа. Конечная скорость падения тел в воздухе, так же как и коэфи- циент их равнопадаемости, могут быть определены по формулам, ана- логичным формулам падения тел в воде. Формула Рнттингера приближенно принимает при этом следующий вид: VO = к / = К V аь, (32) а коэфициеит равнопадаемости по Риттингеру: Совершенно очевидна значительное уменьшение коэфициента равнопадаемости в воздухе по сравнению с водой; так, при угле с уд. весом 1,2 н сланце с уд- весом 2,2 коэфициеит равнопадаемости в воде будет: 2,2 - i с 1,2 — 1 ~ 6’ тогда как в воздухе он будет: 2,2 = I’83' т. е. в 3,3 раза меньше. 77
Вследствие этого достаточное разделение обогащаемого угля на концентрат, промежуточный продукт и породу при сухом обогащении достигается значительна труднее, чем при мокром способе. Для получения удовлетворительных результатов необходимо при этом предварительное грохочение угля по крупности, по крайней мере, на три класса. Применяемые в настоящее время машины для сухого обогащения, по конструкции и принципу действия, сходны с отсадочными машинами и концентрационными столами углемоек и носят название воздушных или пневматических отсадочных машин или пневматических концен- трационных столов. В конструктивном отношении воздушные машины отличаются значительным наклоном отсадочных сит, так как вынос обогащаемого продукта осуществляется в них действием тяжести, а не смыванием водой, как при мокром обогащении. В пневматических отсадочных машинах разделение обогащаемого продукта происходит на неподвижном наклонном сите, сквозь которое снизу подается пульсирующая струя воздуха. Под действием пульси- рующей струи обрабатываемый уголь расслаивается на породу, проме- жуточный продукт и концентрат. Порода образует на сите постель. От высоты слоя постели зависит качество работы отсадочной машины, поэтому спуск породы с наклонного сита регулируется особым раз- грузочным приспособлением. Обычно слой постели для крупных классов угля под- держивается в пре- делах 200—100 мм, для мелких 100— 50 мм. На рис. 28 по- казана схема пнев- матической отсадоч- ной машины. Уголь подается питате- лем 1 на сита 2, а воздух подается вен- тиляторами 3 через вращающиеся за- слонки 4, создающие пульсацию воздуха в аппарате. Порода и промежуточные продукты выгружаются автоматически выгружателями 5. Машина сдвоенная: на верхнем сите отделяется порода, дальнейшее обогащение производится на втором сите, отделяющем промежуточный продукт от концентрата. Наклон сит 12—15°, число пульсаций около 200 в 1М'Инуту. Машины при пло- щади сит 1 м2 дают: для класса угля 40—10 мм 45—35 т/час, для класса 10—13 мм 15—12 т/час, для мелочи (3—0,5 мм) около 8 т/час. Наиболее совершенным пневматическим концентрационным столом является стол Бертлея. Двухскатная дека этого стола сделана из пер- форированных стальных листов в виде английской буквы V, почему этот стол называют столом «ВИ». Рама деки вместе с воздушной ка- мерой установлена на наклонных подпорках наподобие грохота Фер- рариса и получает быстрые ка нательные движения (около 400 в ми- нуту) от двух эксцентриковых тяг движущего механизма. Размах колебаний деки около 12 мм. Дека имеет небольшой подъем в сто- рону движения породы, обычно до 4°, высота которого регулируется ручными винтами. Порода, образуя между нарифлениями непрерывно стягиваемую постель, передвигается к среднему заградительному борту и направляется к узким краям стола для разгрузки. Чистый уголь угля. -Концентрат Рис. 28. Схема 1—питатель; 2—сита;.?—вентиляторы; 4 — вращающиеся заслонки; 5 — автоматические выгружатели породы и промежуточного про- дукта. поооукт пневматической отсадочной машины: 78
скатывается на первой половине стола, ближайшей к загрузочному ящику, промежуточный продукт — ближе к породному краю. Производительность стола в зависимости от крупности обогащае- мого угля колеблется в пределах от 10 до 50 т/час. Преимуществом установок сухого обогащения является отсутствие водяного хозяйства и получение сухих продуктов. Оборудование фабрик сухого обогащения проще и дешевле углемоек. Производ- ственные расходы также меньше. Недостаточная четкость отделения концентратов, образование большого количества пыли и необходи- мость в связи с этим герметизации аппаратуры и, наконец, невозмож- ность обогащения мелких классов влажных углей без предваритель- ной подсушки, — вот основные недостатки сухого обогащения.
ГЛАВА 4 ПОЛУКОКСОВАНИЕ (НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ КОКСОВАНИЕ) Полукоксованием (швелеванием) называется процесс пирогенетиче- ского разложения твердого топлива без доступа воздуха при темпера- турах 500—550°. Продукты полукоксования — полукокс, деготь, газ и подсмольная вода — принято называть, в отличие от продуктов коксо- вания, первичными. Полукокс представляет собой твердый продукт, отличающийся от кокса большим содержанием летучих веществ и повышенной реак- ционной способностью. Деготь (первичная смола или смола полукок- сования) — темнобурая жидкость, содержащая в отличие от коксовой смолы, главным образом, соединения жирного (в том числе олефины) и нафтенового рядов, высшие фенолы и др. Подсмольная вода, в отличие от надсмольной воды при коксовании, имеет кислую или нейтральную реакцию; удельный вес ее немногим больше единицы; вода обладает резко выражен- ным запахом сероводорода. Первичный газ имеет объемный вес 1,0—1,2 кг/мл и обладает высокой кало- рийностью, достигающей 8500—9000 кал/м* благода- ря большому содержанию метана и его гомологов. На выход и качество продуктов полукоксования заметно влияют состав ис- ходных горючих ископае- мых. Зависимость между ТАБЛИЦА 28 Зависимость между сортом угля и выходом первичной смолы при полукоксовании Сорт угля Выход безводной первичной смолы (в пересчете на сухой уголь) в % Тощий (сухой) 1,5 Жирный 3,5 Газовый 8,0 Газовый пламенный . . . 12,0 Кеннельский 29,0 сортом перерабатываемого топлива и выходом первичной смолы пока- зана в табл. 28. Как правило, чем моложе топливо и чем больше в нем кислорода, тем больше оно дает первичной смолы (табл. 29). Температура полукоксования и скорость нагрева топлива Начало термического разложения топлива зависит от его химиче- ского состава и характеризуется выделением газа и смолы. Темпера- тура, при которой начинается это выделение, в среднем колеблется между 200—400° (табл. 30). В интервале температур 100—150° уда- ляется гигроскопическая вода. Образование метилового спирта в тех случаях, когда это воз- можно, происходит в интервалах от 160 до 300°; выделение первич- ной смолы (дегтя) в незначительной степени начинается при темпера- 80
ТАБЛИЦА 29 Выход продуктов полукоксования из различных видов топлива Наименование месторождения Выход продуктов полукоксо- вания иа сухой уголь В % Выход пирогене- тической воды В % Выход дегтя В % на горючую массу Выход газа в мй!т полукокс первичный деготь газовый бензин 1 1ОДМОСКОВНЫЙ бассейн .... 71-76,5 4,8—7,8 0,16-0,32 4,5-10,5 62—86,4 Лисичанское и Петровское (Донбасс) . . . 68,4—74,3 8,3—18,1 3,1—10,6 51,0—82,2 Кузбасс 72,9—74,6 10,2—13,0 0,23-0,30 2,0— 4,9 11,0-13,4 78,0—86,1 Черемховский богхед .... 39,4 39,1 5,6 Матаганский богхед .... 20,0 48,8 4,8 Сапропелиты Черемховского бассейна . . . 47,8-60,9 14.8—31,6 0,60-0,85 7,2—18,0 Обогащенный уголь Кизелов- ского бассейна 73,0 16,7 2,5 Челябинский уголь: обогащенный . 55,7 4,5 6,1 6,22 . необогащенный 62,2 4,4 — 4,4 6,75 — Гдовское место- рождение (сланец) .... 67,3 23,7 32,8 I алицкий мох (торф) (Калининская обл.) 40,47 17,33 — — ТАБЛИЦА 30 Температура начала разложения некоторых видов топлива (в °C) Вид топлива Начало выделения газообразных продуктов Начало выделения жидких продуктов Торф калатинский (Урал) . . 196,6 204,0 Бурый уголь челябинский . . —- 288,4 Бурый уголь богословский (Урал) — 229,8 Бурый уголь кокянгакский (Средняя Азия) 332,5 334,0 Каменный уголь алапаевский (Урал) 381,0 383,5 туре 2003, бурное же ее выделение происходит при температурах 350—500°. До температуры 500—550° отгоняется большая часть ле- тучих составных частей топлива. Содержание летучих веществ в по- лукоксе обычно не ниже 6—8%. б Зак. 3610. Общая химия, технология тоиинива. 81
Процесс нагрева топлива можно вести медленно или быстро. При медленном нагреве подвод тепла к топливу происходит равномерно и в небольшом количестве; выделяющиеся продукты разложения успе- вают пройти через всю толщу топлива, не подвергаясь вторичному раз- ложению. При таких условиях можно получить наивысший выход жид- ких продуктов полукоксования, в большей степени сохранивших свои индивидуальные особенности. При быстром подъеме температуры полукоксования результаты будут иные: проходя сквозь толщу топлива и соприкасаясь со стен- ками аппарата, выделяющиеся продукты под действием высокой тем- пературы подвергаются частичному крекингу. При этих условиях всегда наблюдается увеличение количества газа, образующегося за счет крекинга дегтя, причем выход последнего, естественно, умень- шается. В табл.31 показано изменение выхода твердого остатка (кокса или полукокса), газа и безводного дегтя в зависимости от конечной тем- пературы процесса переработки топлива. ТАБЛИЦА »1 Влияние конечной температуры процесса иа выход продуктов переработки газового угля Наименование продуктов Высокотемпе- ратурное коксование (1000-1100°) Низкотемпе- ратурное по- лукоксование (450-550°) Твердый остаток (кокс или полукокс) в °/0 Газ в м/т Деготь безводный в °/0 . . . . 78—80 300—340 2,5-3,0 75-77 60-70 7-10,0 Уменьшение выхода дегтя при переходе от низкотемпературного процесса к высокотемпературному объясняется пиролизом этого жидкого продукта и возрастанием выхода газа. С повышением температуры процесса калорийность газа полукок- сования снижается с 8500—9000 до 4000—4500 кал/м? для коксового газа. Это объясняется повышенным содержанием в коксовом газе водорода (обычно 55—60% против 10—20% в полукоксовом газе) и понижением содержания углеводородов. Влияние размера кусков топлива на выход продуктов На выход продуктов полукоксования существенное влияние оказы- вает размер кусков твердого топлива, загружаемого в печь. Чем мельче куски перерабатываемого топлива, тем больше выход смолы. Это обстоятельство можно объяснить следующим образом. Так как теплопроводность угля мала и лежит в пределах 0,16— 0,18 кал/м2 час °C, то при прогреве отдельных кусков топлива на- ружная часть куска значительно больше нагрета, чем внутренняя. Эта разница тем больше, чем больше размер куска топлива. Жидкие и газообразные продукты, находящиеся во внутренней части куска, при своем выделении проходят более нагретую часть куска и претерпевают разложение под действием высокой температуры. Таким образом часть смоляных паров не успевает улетучиться ранее и при разло- жении образует, с одной стороны, газ, уходящий из печи, и с дру- гой — смоляной кокс, остающийся в частицах перерабатываемого топлива, придавая полукоксу большую прочность. Смоляной кокс 82
образуется за счет разложения смолы в количестве тем большем, чем крупнее куски перерабатываемого топлива; поэтому выход полукокса увеличивается (табл. 32) при переработке более крупнокускового топлива. ТАБЛИЦА 32 Влияние размеров кусков топлива на выход продуктов полукоксования (в °/0) Величина кусков топлива в мм Первичный деготь Полукокс Содержа- ние лету- чих в полукоксе 20-30 10,3 41,4 8,8 100-120 8,1 46,5 10,3 Методы полукоксования Имеется два основных метода полукоксования, в соответствии со способом обогрева печей, причем получающиеся продукты количе- ственно и качественно различны. Обогрев печей бывает внутренний и внешний. Простейшим видом применения первого метода является полукок- сование в вертикальной (шахтной) печи, в которую сверху поступает топливо, а снизу равномерно по всему сечению печи подается предва- рительно нагретый в специальных аппаратах газ-теплоноситель. Пройдя через толщу топливной загрузки, газ отдает ей свое физическое тепло, за счет которого происходит процесс полукоксования, и уда- ляется сверху, вынося с собой из печи жидкие и газообразные про- дукты полукоксования. Такое сравнительно быстрое удаление летучих частей перегонки создает благоприятные условия для получения первичных продуктов. Чем больше скорость газа в печи, тем благоприятнее условия для получения первичных продуктов. Не всегда возможно подавать в печь большое количество газа-теплоносителя, так как с увеличением ско- рости газа возрастает сопротивление слоя топлива пропорционально квадрату скорости, и это в сильной степени осложняет ведение про- цесса. В промышленных условиях, где приходится иметь дело с топ- ливом различной степени измельчения (различный размер кусков), соблюдение одного и того же режима как для крупного, так и для мелкого топлива невозможно по тем же самым соображениям. Самым распространенным теплоносителем является швельгаз, т. е. газ, полу- чающийся на той же полукоксовой установке. Внутренний обогрев печей дает возможность полукоксовать неко- торые сорта спекающихся углей. Благодаря тому что газообразный теплоноситель, введенный внутрь печи, понижает парциальное давление жидких и газообразных про- дуктов, образующихся при разложении угля, удаление их в паро- образном виде происходит ранее достижения температуры пластиче- ского состояния угля и поэтому полукокс плохо спекается. При не- достаточном количестве теплоносителя, т. е. при небольших скоро- стях его, битум начинает улетучиваться при температуре образования пластического слоя, куски топлива могут слипаться и в печи проис- ходит зависание угля. В печах с внешним обогревом уголь засыпается в камеру, стены которой обогреваются дымовыми газами, получаемыми в отдельной топке. После отдачи тепла шихте через стенку печи продукты горения 6* 83
выводятся в атмосферу, а жидкие и газообразные продукты полукок- сования через особое отверстие в верху печи отводятся в конденса- ционную аппаратуру. Нагрев топлива происходит от стенки печи к центру. Полукокс поэтому неравномерно прококсовывается по всей толще загрузки и у стенок будет содержать наименьшее количество летучих. Чем больше толщина обогреваемого будет полукокс. Ввиду этого в ТАБЛИЦА 33 Влияние давления иа выход первичного дегтя при полукоксо- вании различных углей (в л иа 1 т угля) Сорт угля Давление атмо- сферное вакуум Иллинойский . . 37,0 49,3 Пенсильвап- ский 56,5 75,1 Из западной Вир- гинии .... 19,5 30,3 слоя топлива, тем менее однородным конструкциях печей с внешним обо- гревом стремятся выбрать наимень- шую по возможности толщину слоя топлива и разложение топлива идет более равномерно и полно. В печах с внешним обогревом вы- ход первичного дегтя меньше, чем в печах с внутренним обогревом. Со- держание легких бензиновых фракций в первичной смоле, полученной по первому методу, 'больше, чем в полу- ченной по второму методу, тогда как в смоле, полученной больше парафинов и вторым методом, восков. полукоксовании полукоксовании , первичного 33). Роль давления при Применяя при вакуум, можно в значительной мере дегтя и избежать разложения первичных повысить выход продуктов (табл. Однако полукоксование под вакуумом из-за сложности оборудова- ния и ведения самого процесса пока не нашло применения в промыш- ленности. Повышение давления при низкотемпературной сухой перегонке угля затрудняет выделение в конечном результате жидких продуктов полукоксования и ведет к уменьшению их выходов. Количество полу- ТАБЛИЦА 34 Выход продуктов полукоксования при повышенном давлении и температуре в печи 600° (в %) Наименование продуктов Давление в печи в ат атмо- сферное 5 25 50 100 Полукокс 67,3 68,8 71,0 72,0 71,5 Первичный деготь . . . 13,0 7,9 5,1 3,8 2,2 Подсмольная вода . . . 12,0 11,7 12,4 12,1 11,3 Газ-j-потери 7,7 11,6 11,5 12,1 15,0 Кажущийся удельный вес полукокса .... 0,67 0,68 0,78 0,88 0,85 » кокса увеличивается за счет разложения смоляных погонов дестилля- ции и образования смоляного кокса (табл. 34); при этом улучшаются механические свойства полукокса,— он становится значительно крепче и прочнее. При давлении 50 и 100 ат получался хорошо спекшийся полукокс высокой прочности, хотя взятые для опыта угли были неспекающиеся. 84
В современных полукоксовых. печах специальных систем для получения прочного полукокса искусственно создают давление внутри угольной засыпки. Применение продуктов полукоксования Полукокс. Необходимо отметить следующие области использования полукокса: 1. Как энергетическое и промышленное топливо для непосред- ственного сжигания в топках паровых котлов или промышленных агре- гатов (на электроцентралях, заводах — цементных, стекольных, кера- мических и т. п.). Наиболее распространено потребление кускового полукокса. Благодаря повышенному количеству летучих, полукокс при сжига- нии дает более высокие температуры в топках с меньшей затратой топлива, отчего коэфициеит полезного действия парокотельной уста- новки возрастает. 2. Как бытовое топливо в странах, где применяется полукокс в домашних печах. В этом случае полукокс должен гореть бездымно, иметь одинаковую кусковатость и т. п. 3. Как транспортное топливо — для сжигания в топках паровозов. 4. Как топливо для газогенераторных станций, вырабатывающих из него водяной газ как для технического, так и для бытового по- требления. За последние годы, в результате использования водяного газа для синтеза искусственного жидкого топлива, применению полу- кокса в газогенераторах обеспечено большое будущее. С развитием автомобильного и тракторного транспорта, работаю- щего на газогенераторных двигателях в качестве одного из удобных видов топлива (для этих двигателей начали широко применять полу- кокс). В этом случае важно использовать механически прочный по- лукокс, не истирающийся и не измельчающийся от дополнительных усилий (тряски при передвижениях). 5. Как добавка в шихту для коксования. В последнее время полу- кокс начинает все больше находить применение как отощающий ком- понент при составлении шихты для коксования, обеспечивающий по- вышенный выход металлургического кокса и улучшающий его ка- чества. Полукоксовая мелочь в некоторых случаях брикетируется (прес- суется) и затем уже в виде брикетов используется для тех же целей, что и кусковой полукокс. В последние годы за границей находит широкое применение в паро- котельных горячий полукокс, для выработки которого поблизости от парокотельной строится специальная установка для полукоксования. Первичный деготь (смола). В настоящее время первичный деготь используется для получения светлых моторных топлив. Различают следующие области использования первичных смол: 1. Торфяной и сланцевый первичные дегти в основном являются сырьем для переработки на масла и моторное топливо, причем из смол извлекаются фенолы, воск и т. п. 2. Буроугольный первичный деготь идет для получения горного воска, применяемого для специальных целей, а также подвергается гидрогенизации для получения моторного топлива. 3. Каменноугольные первичные смолы перерабатываются на смо- лоразгонных заводах и за последние годы также направляются на переработку на моторное топливо. При переработке первичных смол с целью получения моторного топлива от них предварительно отгоняются легкие бензиновые и ке- 85
росиновые фракции, а тяжелый остаток подвергается крекингу или гидрогенизации. Газ полукоксования ввиду небольших его выходов большей частью используется на самой установке и в некоторых случаях транспорти- руется на соседние заводы. Использование подсмольных вод полукоксования не получило раз- вития. Обработка их ведется только с целью обезвреживания. Комбинирование печей для полукоксования с газовыми заводами и котельными установками За границей имеются комбинированные заводы полукоксования с газовыми заводами и с крупными котельными установками. Такое комбинирование осуществляется в тех случаях, когда невысокое ка- чество полукокса исключает возможность применения его для иных целей кроме газификации и сжигания в топках паровых котлов. Газо- генераторный газ смешивается со швельгазом, калорийность смеси поддерживается примерно 4750 нал/м?, и таким образом получают светильный газ, вполне пригодный для бытового обслуживания. В Англии комплексное сочетание процессов полукоксования и гази- фикации реализуют в следующем виде. Во вращающуюся закрытую реторту, выложенную внутри огнеупорным кирпичом, загружается уголь. Реторта, устанавливаемая на цапфах, может поворачиваться (опрокидываться) вперед и назад с помощью специального устройства. Первым этапом работы являются нагревание и бертинирование угля с продувкой его воздухом. Второй этап — полукоксование, при этом к раскаленному углю из бункера добавляется новая порция сырого угля. Жидкие и газообразные продукты полукоксования отводятся из ре- торты в конденсационную аппаратуру. Реторта затем останавливается и через оставшийся в ней полукокс снова продувается воздух, затем добавляется новая порция угля, и после этого начинается новый цикл процесса. В конце процесса полукоксования через полукокс пропускают во- дяной пар Для более полной отгонки летучих веществ. Большая часть полукокса из реторты удаляется при продувке угля воздухом. Осталь- ная часть полукокса удаляется из реторты во время остановки. Производительность реторты мала — 4—6 т/сутки. Установка, работающая на дюргемском угле с 31,1% летучих и 2% влаги, дает 58,2% полукокса, содержащего 6% летучих веществ, первичного газа 116 м3/т калорийностью 2820 кал/j^ и первичного дегтя 9,2% уд. веса 1,125. Смола при разгонке дает 11,9% пека. Другая форма комбинирования процесса полукоксования и газифи- кации осуществляется следующим образом: над верхним отверстием газогенератора надстраивается полукоксовая реторта, причем полу- коксование происходит за счет тепла продуктов газификации. Такой же по существу принцип применен в газогенераторах типов AVG, Пинча, Лурги, у которых верхняя, более узкая по диаметру часть является шахтой швелевания, а нижняя, более широкая — шах- той газификации. В этих типах газогенераторов можно получать наряду с промышлен- ным газом, как в других типах печей для полукоксования, также пер- вичную смолу, которая, однако, по составу значительно отличается от первичной смолы, получаемой при полукоксовании. В более широком масштабе применяется совместная эксплоатация печей для полукоксования с котельными установками. Для использо- 86
вания физического тепла горячего полукокса полукоксовая печь уста- навливается рядом с котельной топкой; выходящий из реторты горя- чий полукокс на герметически закрытом конвейере подается на коло- сниковую решетку топки котла. Из выделившегося газа улавливаются жидкие и газообразные продукты полукоксования, а затем газ напра- вляется в топку. Комбинирование полукоксовых печей с котельными установками осуществляется на ряде установок. Так, например, полукоксовая ре- торта системы Пинча иногда является частью котельной установки и производительность ее определяется потребностью в топливе для па- ровых котлов. Полукоксование происходит при температуре 540° за счет физического тепла дымовых газов, двигающихся навстречу опу- скающемуся в низ реторты углю. Полукокс сжигается под котлами в горячем состоянии. По такому же принципу работает котельная установка Бабкок и Вилькокс с ретортами для полукоксования генераторного типа, про- пускной способностью в 60 т. Температура полукоксования 650—700°, причем уголь перед полукоксованием предварительно подогревается до температуры 120°. В США комбинируют котельные установки с печами полукоксования пылевидного угля. Во всех установках генераторного типа коэфициеит полезного дей- ствия очень высок (до 80—82%).
ГЛАВА 5 ПЕЧИ ДЛЯ ПОЛУКОКСОВАНИЯ Системы печей для полукоксования можно разделить по принципу обогрева на два основных класса: 1) печи с внешним обогревом; 2) печи с внутренним обогревом. К первому классу относятся печи Ролле, Коалит, Гейсена, ВТ и др.; в качестве примера печей с внутренним обогревом могут быть названы печи Пинча, трехзонная печь и др. Независимо от системы обогрева печи могут быть периодически действующие и непрерывно работающие. Кроме того, печи можно разделить на неподвижные (стационарные) и вращающиеся. Вращение необходимо для перемещения и перемешивания топлива в целях предохранения угольной загрузки от слеживания и спекания. В ряде случаев топливо тем или другим способом передвигается в неподвижной печи. Таковы печи туннельная и Гинзельмана. По конструкции печи для полукоксования в основном делятся на вертикальные и горизонтальные. Обычно в печах с внешним обогревом, в силу плохой теплопро- водности угля, толщина слоя перерабатываемого топлива невелика, в противоположность печам с внутренним обогревом, в которых она зна- чительно выше. По толщине рабочего слоя угольной загрузки печи делятся на работающие с тонким слоем и с толстым слоем угля. Далеко не полная классификация печей, приведенная выше, дает возможность судить о конструктивных особенностях различных печей для полукоксования, основанных на том или ином принципе работы. Неподвижные печи с внешним обогревом Печи системы Ролле Начало промышленному развитию процесса полукоксования было положено в 1860 г. введением в эксплоатацию печи Ролле, схемати- ческий разрез которой показан на рис. 29. Печи Ролле с тех пор претерпели ряд изменений. На рис. 30 при- ведена новейшая конструкция печи Ролле. Корпус печи представляет собою цилиндр 1, сложенный из фасонного шамотного кирпича, опоясан- ного снаружи кольцевыми дымоходами. Высота цилиндра 6—14 м. в зависимости от производительности печи, внутренний диаметр 1570 мм. Внутри шамотного цилиндра проходит хорошо центрированный цилиндр, являющийся газоотводящей трубой 3. Он состоит из отдельных конических колец, собранных не вплотную, а с зазорами, благодаря чему поверхность цилиндра имеет множество щелей. Загрузка угля 88
производится сверху, выгрузка же полукокса снизу печи, причем пол. выгрузочное отверстие конического разгрузочного аппарата подается вагонетка, отвозящая полукокс для мокрого тушения. Газы и пары, выделяющиеся в верхней, средней и нижней частях цилиндра, выводятся тремя трубами в сборную гидравлику 4 и напра- вляются в конденсационную аппаратуру. Толщина слоя угля, находящегося между цилиндрами, в верху печи равна ПО а внизу 75—80 мм. Такая толщина слоя угля способствует равномерному опусканию загрузки. Обогревается реторта горячими дымовыми газами, образующимися при сгорании угля в специальной топке. Газы движутся вверх по Рис. 29. Схематический раз- рез печи Ролле конструкции 1860 г. Рис. 30. Новейшая конструкция печи Ролле: / — шамотный цилиндр;,2—чугунный цилиндр; 3 — газоотводящая труба;^4 — сборная гидравлика. кольцевым дымоходам, опоясывающим цилиндр печи; внизу темпера- тура обогревательных газов равна 850—900°, а вверху, где происхо- дит подсушка угля, значительно ниже. Для более точной регулировки температуры по высоте печи в первом, третьем и пятом дымоходах (считая снизу) сжигается специально подводимый туда швельгаз. Вся печь или блок печей стягивается анкерными соединениями. Такая связь обеспечивает прочность конструкции и предупреждает воз- можность коробления или сдавливания самой реторты. Производительность усовершенствованной печи Ролле колеблется в пределах от 3 до 8 т мелкого бурого угля в сутки (при влажности 55%). Удаление влаги из угля требует затраты большего количества тепла, чем самый процесс полукоксования (примерно 60% от общего 89
расхода тепла). Количество затрачиваемого тепла растет с повыше- нием влажности перерабатываемого угля. На рис. 31 изображена кри- вая удаления влаги перегоняющегося в реторте угля в зависимости от высоты участков печи Ролле. Кривая показывает, что вначале тепло расходуется, главным образом, на нагрев влажного угля до испарения из него влаги, затем идет быстрое подсушивание. Этот участок кривой соответствует падению содержания влаги от 45 до 20%. На участке высотой 2,7 м из общей высоты реторты от 6 до 14 м уголь теряет уже 60% своей первоначальной влажности. Выделение из угля смолы происходит скачком. На рис. 32 показана кривая выделения смолы в разных зонах по высоте печи. На высоте 3 м выделяется основная масса смолы. Если в начале этого участка Рис. 31. Кривая удаления влаги из угля в печи Ролле. Выделилось смолы а “/о Рис. 32. Кривая выделения смолы из угля при полукоксовании в печи Ролле. уголь содержал 13% смолы, то в конце его он содержит только 4%. Многочисленные исследования показали, что при переработке и других сортов углей выделение из них смолы происходит с такой же быстро- той. Как и во всех стационарных конструкциях печей с внешним обо- гревом, уголь в печи Ролле прогревается неравномерно; часть за- грузки у стенок шамотного цилиндра всегда больше нагрета, чем уголь, находящийся вокруг внутреннего чугунного цилиндра. В силу плохой теплопроводности угля зачастую бывает, что уголь, соприка- сающийся с раскаленными стенками реторты, уже начинает швеле- ваться, в то время как более отдаленные от стенок слои его еще не выделили влаги. Такой неравномерный обогрев, конечно, сильно влияет на выходы и качество смолы. Выделяясь из угля, расположенного у стенок шамотного цилиндра, пары смолы проходят весь угольный слой по направлению к внутрен- нему цилиндру. Если температура во внутренней части реторты еще недостаточно высока, то пары смолы вместо того, чтобы уйти из ре- торты, конденсируются на более холодном угле, и в дальнейшем, при опускании в более нагретые зоны, крекируются, что ведет к большим потерям смолы. Наконец, в печах Ролле из-за неравномерного опускания частей загрузки часто наблюдается зависание угля, что также способствует крекингу смолы. Все это вместе взятое приводит к тому, что в печах •90
Ролле выход смолы обычно не превышает 55—60% возможного (опре- деленного методом Грефе); следовательно, 40—45% первичного дегтя разлагается, образуя при этом газ. Печь «Коалит» Печь «Коалит» (рис. 33), применяемая в Англии при полукоксова- нии, представляет собой чугунную или стальную отливку, состоящую из 12 вертикальных труб, расположенных в 2 ряда по 6 в каждом. Трубы имеют высоту 2,75—3 м\ в верхней части диаметр их равен 115 мм, Рис. 33. Печь „Коалит": / — загрузочный бункер; 2— разгрузочные отверстия дчя полукокса; <?—обогревательные камеры 4 — газоподводящие устройства; 5 — гидравлика; 6—камера. книзу для облегчения выгрузки полукокса из реторты трубы расши- ряются до 140 мм. Обмурованная огнеупорным кирпичом реторта (камера) устанавли- вается над разгрузочными воронками 2 таким образом, что на одну воронку приходятся две рядом расположенные реторты. Нагревание производится газом, подающимся к камерам с помощью газоподводя- щего устройства 4. Реторты и обогревательные камеры 3 чередуются так, что каждая реторта расположена в камере лучеиспускания, образованной стенками прилегающих обогревательных камер. Реторта нагревается только за счет лучеиспускания стен обогревательных камер, выложенных специ- 91
альными полыми огнеупорными кирпичами, и ни при каких условиях не может соприкасаться с пламенем. Таким образом металлический корпус реторты предохраняется от коробления и коррозии. Каждая печь имеет общие для всех реторт основания и верхнюю часть с за- грузочным бункером 1, через которую производится загрузка угля. Печи работают периодически и служат для переработки угля, из- мельченного до размера кусков 20 мм. Уголь со склада поступает на подсушку в сушильный барабан, отапливаемый дымовыми газами. Подсушенный уголь засыпается в бункеры, откуда скиповым подъемником загружается в реторты. Период полукоксования длится от 4 до 6 час. при температуре 600°. Полукокс разгружается в нижние тушильные камеры, откуда подается на конвейер и отвозится на коксосортировку. Для предохранения от засоса воздуха тушильная камера имеет двойной затвор, один из ко- торых водяной. На каждые две реторты — одна общая тушильная ка- мера. Летучие продукты отводятся из печи в гидравлику 5 для перво- начального охлаждения. Затем газ очищается в электрофильтре от смо- ляного тумана, в кислотном сатураторе от аммиака, далее охлаждается в водяном холодильнике и, наконец, очищается от газового бензина в абсорбере. Из 1 т угля с 30—35% летучих получаются следующие продукты: Полукокс (содержит 10—12% летучих веществ) . . . 700 кг Первичная смола.............................76—81 л Легкое масло (бензин).......................13,5 „ Газ (калорийность до 6000—7С00 «дл/л<3)..... 120—145 лг3 Смола имеет следующие свойства: Удельный вес при 15,5°.............1,037 Температура вспышки . . . . •.....60J Содержание воды....................2,4% , фенолов н кислот............28,4% Печи для швелевания Печь для швелевания ВТ (Brennstoff-Technik), изображенная на рис. 34, состоит из ряда вертикальных камер и обогревательных про- стенков, в которых циркулируют горячие дымовые газы. Для повышения коэфициента теплопередачи от стенок к углю про- стенки сделаны из железа. Ширина во всех частях одинакова, что способствует равномерному обогреву всего угля в камере. Выгрузка полукокса из печи производится с помощью рычажного приспособле- ния, которым простенки в нижней части могут отклоняться в стороны. При таком положении кокс выпадает из камеры полукоксования 6 без каких-либо затруднений. Подвижные стены камеры печи ВТ дают воз- можность перерабатывать сильно вспучивающиеся и коксующиеся угли. Положительной стороной конструкции этих печей является также воз- можность полукоксования с предварительной трамбовкой угля, что в некоторых случаях обеспечивает получение хорошего, крепкого полу- кокса из неспекающегося угля. Весь корпус печи подвешивается на металлической конструкции, которая, кроме того, несет на себе загрузочные и разгрузочные при- способления. Загрузочный вагон 9, двигающийся по верху печи, загружает все камеры. Кроме того, он снабжен приспособлением для трамбовки угля. Циркуляция обогревающих газов производится вентилятором 8. Газ поступает в газовую горелку и проходит в устроенные сбоку печи огневую камеру 2 и камеру смешения 3. Продукты горения, смешанные с возвращенными обратно дымовыми газами, направляются через ка- 92
меру смешения по газораспределительному каналу 4 в вертикалы ме- таллических обогревательных простенков 5, пройдя которые, выводятся в сборный канал для продуктов горения 7, откуда частично возвра- щаются обратно в камеру смешения, а частично выбрасываются в атмосферу. Воздух для горения подогревается в особом рекуператоре, примы- кающем непосредственно к печи и использующем тепло дымовых га- зов. Размеры камер примерно составляют 1,5—2,5 м длины при высоте 3—4 м. Ширина камер колеблется между 60—130 мм. В зависимости Рис. 34. Печь для швелевания: 7 — газовая горелка; .?—огневая камера; 3— камера смешения; 4—газораспределительный канал; 5 — обогревательный простенок; 6—камера для полукоксования; 7—сборный канал для продуктов горения; 8—вентилятор; 9 -- загрузочный вагон. от ширины камер время полукоксования определяется от 2 до 7 час. Суточная производительность печи, состоящей из 6 камер, колеблется в пределах от 10 до 30 т угля. При желании получить полукокс определенной формы и крупности, в печь ВТ можно вводить особые металлические коробки-формы, в которых и происходит швелевание угля. В таком случае кокс полу- чается в виде кирпича; размер кирпича может быть изменен по же- ланию. В печи данной конструкции можно перерабатывать различные угли, в том числе и плохо спекающиеся, которые дают хороший полукокс при трамбовке. Вращающиеся печи с внешним обогревом Печь KSG Печь этого типа (рис. 35) состоит из двух барабанов, вставленных один в другой. Барабаны устанавливаются с наклоном в 6° в сторону выдачи полукокса на опорных роликах / и крепятся между собой спе- циальными приваренными лопастями. Длина барабанов 20 м, диаметр внутреннего барабана 1,7 м и внешнего 3,0 м. Они вращаются со ско- ростью одного оборота за 90 сек. Уголь через загрузочную воронку 2 поступает в неподвижно уста- новленный шнек 3 во внутреннем барабане и благодаря вращению по- следнего медленно перемещается вверх. В конце внутреннего барабана 93
угольная загрузка вываливается во внешний барабан, и по нему воз- вращается к выгрузочному отверстию печи 4. Во внутреннем барабане происходит подсушка угля и нагревание до температуры 300°, а во внешнем барабане заканчивается процесс полукоксования. Обогрев про- изводится дымовыми газами, поступающими в обогревательные дымо- ходы при 600—700°; снижение температуры дымовых газов осуще- ствляется их рециркуляцией. Такое устройство препятствует перегреву барабанов, а также дает возможность снизить содержание кислорода в дымовых газах, что в значительной мере предохраняет металл от коррозии. Для предохранения барабанов от наслоения угля на станках в том месте, где уголь переваливается во внешний барабан, устроены специ- альные цепные скребки 6, счищающие уголь со стенок. Прилипание Рис. 35. Печь KSG: / — опорные ролики; 2 — загрузочная воронка; 3—шнек; 4—вы- грузочное отверстие; 5— патрубок ддя вывода из печи жцдких и газообразных продуктов; 6~ цепные скребки. угля к стенкам уменьшается, если к нему прибавляется коксовая мелочь. Жидкие и газообразные продукты полукоксования отводятся из печи через патрубок 5. В этом же конце реторты через другой патру- бок в реторту может подаваться перегретый до 400° водяной пар, ко- торый способствует выделению летучих веществ из угля и играет роль теплоносителя. Количество вводимого пара обычно не превышает 5—7% от веса перерабатываемого угля. Производительность печи равна 60—80 т/сутки при работе на газо- вом угле с влажностью 3% и содержанием летучих веществ 25%. Период полукоксования равен примерно 2% часам. Печь Гейсена Примером вертикальных вращающихся непрерывнодействующих печей может служить печь Гейсена, работающая на тонком слое и не- сколько похожая по конструкции на печь Ролле. Печь Гейсена (рис. 36) состоит из двух металлических цилиндров, покоящихся на общем железобетонном фундаменте. Цилиндры (вну- тренний 1 и внешний 2) выполнены из волнистой жароупорной литой стали. Для хорошего перемешивания угля в печи и во избежание прогаров внутренний цилиндр приводится во вращение специальным механизмом. Внутри вращающегося цилиндра установлен неподвижный шамотный цилиндр 3, выполняющий роль камеры горения. Печь ота- цилиндре. В последнем имеется подсводная часть, через которую про- пливается газом, сжигаемым в горелке 4, установленной в шамотном дукты горения могут удаляться в пространство, ограниченное вращаю- щимся цилиндром и камерой горения, и опускаться вниз. При таком устройстве отопительной системы металлические части печи, не сопри- касаясь непосредственно с пламенем горящего газа, предохраняются от коробления и коррозии. 94
В наружном цилиндре имеются щели для отвода жидких и газооб- разных продуктов полукоксования. Газы и пары проходят патрубок 5 и направляются в конденсационную аппаратуру. Вращающийся цилиндр закрывается сверху конической крышкой 6. Уголь засыпается в кольцевое пространство между двумя цилиндрами Рис. 36. Печь Гейсена: 7— внутренний цилиндр; 2—внешний ци- линдр; 3— шамотная камера горения; 4-- газовая горелка; 5 — патрубок для выво- да продуктов перегонки; 6—коническая крышка печи; 7—разгрузочное отверстие. / — шахта печи; 2— распредели- тельный канал для обогреватель- ного газа; 3 — загрузочная ко- робка; 4— разгрузочное устрой- ство; 5—патрубок для вывода продуктов перегонки и обогре- вательного газа. и по мере нагрева медленно опускается вниз. Полукокс через разгру- зочное отверстие 7 и рештак выгружается в приемную вагонетку. Благодаря хорошей теплопередаче печь Гейсена диаметром 2,2 м и высотой 7 м пропускает за сутки около 100 т подсушенного бурого угля влажностью 15—20%. Отопление печей производится обычно швельгазом. Скорость вращения цилиндра составляет 1 оборот в 2 мин. В печи могут перерабатываться только определенные сорта топлива. Неподвижные печи с внутренним обогревом Печь Пинча Одной из распространенных печей, работающих по принципу вну- треннего обогрева, является печь Пинча (рис. 37). Она представляет собой вертикальную, прямоугольную кирпичную шахту (реторту) 1 с поперечным сечением 1,8 X 1,8 м и высотой 9,25 м. 95
Для удобства обслуживания и уменьшения потерь тепла в окру- жающую среду обычно две шахты соединены в один блок. Снаружи такая печь окружена общим железным кожухом. Низ шахты высотой 1,2 м выложен из красного кирпича, выше него на высоту 4,2 м шахта выложена из специального фасонного шамотного кирпича, верхняя часть шахты — снова из красного кирпича. Такое размещение кирпича объясняется тем, что при работе печи в различных ее участках поддерживается разная температура. На высоте 2,1 м от низа кожуха в специальном уширении кладки имеется распределительный канал 2 из огнеупорного кирпича для ввода в шахту нагретого газа — теплоносителя. Канал имеет с внутренней стороны 44 щелевых отверстия в каждую из шахт, по которым швель- газ с температурой 550—600° поступает в печь. На верху печи над каждой шахтой имеются загрузочные коробки 3, через которые из бункеров топливо поступает в печь, опускаясь посте- пенно вниз по шахте. Пройдя зону швелевания, образовавшийся торфя- ной полукокс омывается поступающим снизу в шахту газом-теплоноси- телем и отдает ему свое физическое тепло, охлаждаясь при этом до 100—150°. После охлаждения полукокс через специальное разгрузоч- . ное устройство 4 поступает в вагонетку и отвозится на склад. Так как разгрузка кокса происходит под печью, последняя строится на железо- бетонных колоннах, поднятых на высоту 5,5 м от уровня земли, с та- ким расчетом, чтобы под нижним откидным затвором разгрузочного бункера могла свободно устанавливаться вагонетка. Жидкие и газообразные продукты полукоксования вместе с газом- теплоносителем выводятся через верхний патрубок 5 в газопровод и конденсационную аппаратуру. Очищенный от смолы, 'воды и пыли швельгаз, охлажденный до 25—30°, распределяется по трем газопро- водам, подающим его: 1) в низ шахты, где он охлаждает полукокс и сам подогревается; 2) в рекуператор, где швельгаз подогревается до температуры швелевания и 3) к топкам рекуператора, где он сжигается, чтобы подогреть газ-теплонооитель, поступающий в рекуператор. Нагретый в рекуператоре газ через хорошо футерованный газопро- вод подводится к распределительному каналу 2 и в шахте соединяется с газом, поступающим с низа печи. Печь Пинча в конструктивном отношении не сложна и эксплоата- ция ее чрезвычайно проста. Производительность описанной печи дости- гает 50 т торфа в сутки при влажности торфа в 30%. При влажности торфа в 20—25% производительность печи возрастает до 65—70 т торфа в сутки. Топливо равномерно коксуется по всему сечению печи. Одним из существенных недостатков печи Пинча следует считать то, что сушка топлива осуществляется в самой реторте и в силу этого большие количества тепла газа-теплоносителя расходуются не по пря- мому назначению. Выгрузочные механизмы легко засоряются коксовой мелочью, а по- тому неплотно прикрывают печь; для герметичности обычно приходится после выгрузки кокса промазывать места прососа газа глиной. Точно так же засоряется и верхний патрубок, отводящий газ, причем чистить его во время работы печи нельзя. Каждая печь имеет рекуператор. Продукты горения, нагретые до 1100°, опускаются по каналам рекуператора вниз, отдавая свое физи- ческое тепло через стенку газу-теплоносителю, поступающему в реку- ператор с противоположной стороны и поднимающемуся по смежным каналам в верх рекуператора. Несмотря на то, что рекуператор сложен из фасонного огнеупор- ного кирпича, через неплотности швов кладки проходит в дымовые 9 о
каналы значительное количество газа-теплоносителя. Газ этот теряется и не участвует в процессе полукоксования. Количество перетекающего газа тем больше, чем больше разность давлений в смежных каналах. При разности давлений в 3—-5 мм вод. ст. практически можно счи- тать, что переток газа будет незначительным. Избежать полностью потерь газа в керамических рекуператорах оказалось невозможным. Поэтому в промышленных установках обычно стремятся либо совсем не устанавливать рекуператоры, либо держать перепад давлений между газовым и дымовым каналами в вышеуказан- ных пределах. В табл. 35 приведены данные (по исследованиям Инсторфа), пока- зывающие влияние температуры на выход продуктов полукоксования на установке Пинча. ТАБЛИЦА 35 Влияние температуры переработки торфа на выход продуктов полукоксования Температура в °C | , | 1 Производительность в т! су тки Влажность торфа в % Выход полу- кокса в % Содержание лету- чих в полукоксе в % от сухого вещества Выход смолы в Выход швель- газа в м3/т На влажный торф На сухое ве- щество На сырой торф На абсолютно сухое веще- ство На сырой торф : На абсолютно 1 сухое веще- 1 ство 506 543 673 72,9 73,4 70,6 23,2 21,8 20,2 31,6 28,8 40,5 36,2 10,84 7,66 6,38 8,52 8,30 10,70 203 284 260 351 Состав и свойства полукокса при различных режимах коксования несколько изменялись. Средняя влажность смолы невелика и колебалась от 0,48 до 3,66%; уд. вес при 15° от 0,997 до 1,009. Смола при разгонке дала 63,39% масел и 31,32% пека, считая на влажную смолу. Состав швельгаза и шпюльгаза1 при работе установки с газогене- ратором приведен в табл. 36. Проба газа отбиралась из рекуператора. ТАБЛИЦА 36 Состав швельгаза и шпюльгаза (на печах Пинча) (в % ) Компоненты Шпюльгаз при темпе- ратуре Швельгаз при темпе- ратуре 555—560° 646 -670° 543° 6731 СО2 27,2 20,8 41,4 28,4 С„Нт 0,88 0,85 0,9 1,4 О, 0,39 0,42 0,2 0,2 СО 13,4 16,72 12,4 20,5 Н2 11,0 9,55 13,9 24,9 СН4 10,0 23,26 14,2 20,7 Na 37,13 28,4 17,0 3,9 Теплотворная способ- ность (?низш. в кал/м3 1891 2264 2285 3587 1 Шпюльгазом вазывается швельгаз, разбавленный генераторным газом. 73ак. ЗВ10. Общая химия, технология топлива. 97
Состав подсмольных вод приведен в табл. 37. Состав подсмольных вод (на печах Пинча) ТАБЛИЦА 37 Температура полукоксо- вания в °C Влажность торфа в % Состав подсмольных вод в г/л жирные кислоты общий азот аммиака фенолы, уле- тучивающиеся с водяным паром фенолы, не уле- тучивающиеся с водяным паром 543 21,8 24,4 3,76 15,1 7,34 673 20,2 21,8 6,0 6,96 6,84 За последнее время чрезвычайно сильно возрос интерес к использо- ванию печей Пинча для швелевания каменных углей и сланцев. Некоторые виды сланца при тем- пературе 350—400° начинают биту- минироваться,- Опытами, проведенными на печах Пинча с гдовскими сланцами, была доказана полная возможность исполь- зовать эти печи и подобрать такой ре- жим; при котором не происходит сли- пания и зависания топлива в шахте печи. Рис. 38. Трехзонная печь для коксования торфа. Трехзонная печь с внутренним обогревом Схема печи этого типа показана на рис. 38. К преимуществам печи Пинча следует отнести большую про- изводительность, равномерность обо- грева, легкость регулировки, большой выход и хорошее качество смолы, однако печь эта требует устройства мощной конденсационной аппара- туры при влажном топливе. Подсчет теплового баланса показывает, что при 30%-ном содержании влаги в торфе,, поступающем в реторту, 2/з тепла, вносимого швельгазом, тратится на его подсушку и только Уз — на самый процесс полукоксования. Поэтому при переработке торфа,, влажность которого равна 30—35%, тепла швельгаза для отопления кало- рифера нехватает и недостаток era должен быть пополнен за счет газа, получаемого извне, например генера- торного. Подсушку торфа можно произво- дить в отдельной зоне. Это достигнуто устройством зоны подсушки над зоной швелевания, причем общие габариты печи не увеличены, так как третья зона по существу выделена из существовавших ранее зон. 98
Таким образом, трехзонная печь состоит из: 1) зоны подсушки; 2) зоны швелевания; 3) зоны охлаждения. Торф через загрузочную коробку поступает в верхнюю зону реторты, где при температуре 200° происходит его подсушка и бертинирование за счет тепла дымовых газов, полученных при отоплении калорифера. Высушенный торф попадает в зону швелевания, где навстречу ему дви- гается перегретый в калорифере до 550—600° швельгаз, физическое тепло которого производит полукоксование торфа, аналогичное тому, как это происходит в обычных печах Пинча. Жидкие и газообразные продукты полукоксования вместе с тепло- носителем удаляются с верху зоны швелевания через газоотводящий патрубок в конденсационную аппаратуру. Охлажденный швельгаз по- ступает: 1) в рекуператор на подогрев; 2) в реторту на охлаждение полукокса; 3) на сжигание в топках рекуператора и, наконец, 4) сжи- гается в специальной камере. Продукты горения в этой камере, имею- щие высокую температуру, смешиваются с продуктами горения от сжи- гания газа в топках рекуператора и с газами, уходящими из зоны под- сушки в реторте. Вся смесь газов поступает в зону подсушки для уда- ления влаги и бертинирования топлива. Температура дымовых газов, поступающих в зону подсушки, поддерживается на уровне 400°. При этой температуре они входят в верхнюю часть зоны подсушки, опу- скаются вниз и, наконец, через газоотводящий патрубок внизу этой зоны выбрасываются в атмосферу. Для устранения возможности смешения газов в зонах подсушки и швелевания введена межзонная нейтральная сфера. В патрубках, вы- водящих из этих зон газ, установлены регулирующие клапаны, с по- мощью которых в зонах поддерживается одинаковое давление. Коэфициент использования тепла повышается в трехзонной печи до 0,62 против 0,48 в печи Пинча. Печи с перемещением топлива и внутренним обогревом Туннельная печь Битуминозные сланцы при полукоксовании дают очень большой вы- ход дегтя (до 21—25%). Процесс переработки сланцев усложняется тем, что некоторые их виды имеют тенденцию к битуминизации и сли- Рис. 39. Туннельная печь: У — туннель; 2 — вагонетки; 3— камера предварительного нагревание; 4—камера охлаждения; 5 — ка- мера коксования; 6— вентиляторы; 7 — калориферы; 8 — газоотвод; 9 — тушитель. панию. Для полукоксования сланцев применяют туннельную печь (рис. 39). По конструкции она представляет собой туннель 1, внутри которого по длине помещается 20—25 вагонеток 2. Туннель разде- ляется на части (отсеки), закрывающиеся шлюзными воротами таким образом, что по краям туннеля создаются камеры предварительного подогрева 3 и охлаждения 4, а в середине печи — камера коксования 7* 99
(швелевания) 5. Между камерой швелевания и смежной камерой устроены шлюзы, вмещающие по одной вагонетке. Камера швелевания обычно 'вмещает 12 вагонеток, камера охлаждения — 4 и камера пред- варительного подогрева — 3. Днища в вагонетках двойные: одно дно — решетчатое, другое глу- хое с вваренным посередине штуцером. Теплоноситель (швельгаз), на- гретый до температуры 500—600°, поступает через эти штуцеры в ва- гонетки, проходит через сланец, нагруженный в вагонетку слоем высо- той 750 мм, и вместе с летучими продуктами швелевания отсасывается из камеры швелевания. Отсос газа производится расположенными в своде печи вентиляторами 6. Вагонетки обычно стальные, прямоугольной формы. Подогрев теплоносителя происходит в калориферах 7, размещенных с одной стороны печи (туннеля). Располагаются они через равные интервалы по одному калориферу на каждую вагонетку, находящуюся в камере швелевания. Обогрев калориферов производится газом или нефтью, сгорающими в специальной топке. Теплоноситель проходит внутри труб калорифера. Топливо перед поступлением в камеру швелевания подсушивают в передней камере печи дымовыми газами при температуре 200°. При более высокой температуре сушки наблюдается сильное оки- сление сланца. Пройдя шлюзовую камеру, топливо попадает в камеру швелевания, где от него отгоняются летучие вещества, которые затем вентилятором прогоняются через калорифер, подогреваются и снова подаются в печь под вагонетку. Такой многократной циркуляцией газов достигается крекинг паров смолы на более легкие части. Кратность циркуляции газов около 12. Интенсивность циркуляции создает условия ведения крекинга до образования легких масел, свободно улавливаемых холо- дильной аппаратурой. При более глубоком крекинге обычно увеличи- вается выход газа вместе с образованием газового бензина и газойля, что не всегда желательно. В конце камеры швелевания имеется газоотвод (канал) 8, выложен- ный из огнеупорного кирпича, для отвода избыточного количества цир- куляционных газов из швелькамеры в конденсационную аппаратуру. Обычно на заводах применяют дробную конденсацию. Жидкие и газообразные продукты швелевания, выходящие из печи с температу- рой 500°, охладившись в газоотводном канале до 300°, попадают в оросительный холодильник, где охлаждаются до 150°. Здесь конден- сируется тяжелая фракция смолы. В оросительном холодильнике имеется насадка из колец Рашига, сквозь которую поднимаются швель- газы, орошаемые сверху охлажденным до 100° тяжелым маслом. От- сюда через центробежный вентилятор и каплеуловитель газы посту- пают в трубчатый водяной холодильник. В трубчатом холодильнике выделяется, главным образом, бензино- вая фракция, содержащая до 80% легких (выкипающих до 200°) фракций. Швельгазы после водяного холодильника направляются для погло- щения газового бензина в промывную колонну. Очищенный от масел газ газодувкой отводится на сжигание к топкам калорифера. Из камеры швелевания вагонетки с полукоксом, пройдя шлюз, по- ступают в камеру охлаждения, где полукокс тушится при помощи туши- теля, и далее выводятся из печи. Туннельная печь имеет следующие преимущества по сравнению с другими системами печей. Благодаря многократной циркуляции газа-теплоносителя, разница в температурах верхних и нижних слоев сланца, за! ружейного в ваго- 100
нетки, не превышает 10—20 Л Большие объемы циркулирующих газов в сильной мере способствуют выделению жидких продуктов полукоксо- вания, благодаря чему выход смолы в туннельных печах часто соответ- ствует лабораторному выходу в алюминиевой реторте Фишера. Кон- денсации паров смолы в камере швелевания благодаря равномерному обогреву невозможна, а потому при правильной работе туннельной печи никогда не происходит спекания и сплавления топлива. Многократная циркуляция газов обеспечивает в туннельной печи протекание одновременно двух процессов: полукоксования сланца и крекинга выделяющейся из него смолы. Поскольку эти процессы со- вмещены в одном и том же аппарате, расход тепла по сравнению с требуемым при раздельном проведении обоих процессов в разных аппаратах в значительной мере сокращается. Благодаря крекингу смолы в туннельных печах значительно увели- чивается выход низкокипящих бензиновых фракций. При этом степень разложения смолы легко можно регулировать соответственным измене- нием температуры. К недостаткам туннельной печи относятся ее сложность и громозд- кость. Производительность туннельных печей указанной конструкции до- стигает 250—300 т в сутки. Период полукоксования колеблется в пре- делах 2,5 часа.
ГЛАВA 6 КОКСОВАНИЕ И КОКСОВЫЕ ПЕЧИ Развитие техники коксования и конструкции печей Техника коксования, а вместе с тем и конструктивное оформление косковых печей развивались последовательными этапами. По примеру выжига древесного угля каменный уголь первоначально коксовался в кучах, обычно круглых, диаметром в основании 3—4 м, вмещавших по 2—4 т. Поверхность кучи покрывалась слоем земли. В центре кучи выкладывался из кусков угля или из камней канал для отвода продуктов горения; необходимое для коксования тепло получа- лось от сжигания части угля. Продолжительность выжига кокса в та- кой куче доходила до 4—5 дней. Выход кучного кокса составлял около половины загруженного угля. На рис. 40 изображена куча для коксования угля в XVIII в. Различные конструкции для закрытых печей для коксования угля начинают появляться с середины XVIII в. Однако наряду с этим еще Рис. 40. Куча для коксования. в первой четверти XIX в. все же наиболее распространен был кучной способ. Характер и размеры применявшихся в этот период куч были раз- личны, но в общем мало отличались от описанных выше. Для коксова- ния применялся коксовой или грохоченый уголь. Устройство первых коксовых печей. Стремление использовать уголь- ную мелочь, получающуюся в больших количествах при добыче угля, вызвало применение метода коксования в полуоткрытых печах. При этом способе увлажненную угольную мелочь загружали между двумя параллельными кирпичными стенами. Зажигание угля и регулирование поступления воздуха для горения производились через сделанные 102
в стенах отверстия, соединенные каналами, идущими поперек запру- женной массы угля. В дальнейшем этот метод привел к созданию так называемых стойловых печей, известных в литературе под названием «шаумбургских стойл» (рис. 41). Торцовые стены выкладывались на сухую и разбирались перед выгрузкой кокса. Под печи был выложен кирпичом. Загруженный уголь сверху покрывался слоем утрамбованной глины. Для зажигания печи на под закладывался слой дров. По другому способу воздух поступал в горизонтальные каналы, соединенные с вертикальными вытяжными трубами, выложенными в кладке стен. Для образова- ния каналов в уголь закладывались деревянные шесты, которые перед зажиганием вытаскивались через отверстия в кладке. Процесс горения регулировался открыва- нием и закрыванием вытяжных труб. Для коксования применялся мелкий увлажнен- ный уголь, который утрамбовывался слоями. Продолжительность процесса коксова- ния достигала 6—7 дней при средней производительности печи около 2 г в сутки. Выход кокса составлял 50—55%. ПЬ мере роста потребления кокса появляется ряд закрытых коксовых печей. Первые закрытые печи были довольно примитивны. Последние конструкции закры- тых печей можно считать переходными к современным. К закрытым печам того времени следует отнести так называемые ульевые печи, соединенные в батареи со значительным числом отдельных камер. Ульевые печи сохранялись иа протяжении всего прошлого столетия. Преимуще- ства ульевых печей заключались в простоте конструкции и сравнительной деше- визне. Кокс из этих печей отличался хорошим качеством и однородностью; выход его был на 5—10% выше, чем в стойловых печах. Вначале операции по загрузке угля и выгрузке кокса производили вручную, в дальнейшем перешли к постепенной механизации этих операций. Дальнейшие задачи развития техники коксования состояли в повы- шении производительности печей, уничтожении угара кокса, создании возможности регулирования температурного режима процесса и меха- низации операций. Коксовые печи начали строиться в виде камер вертикального и го’ ризонтального типа, в которые был прекращен доступ воздуха. Стены камер были снабжены обогревательными каналами, в которых тепло получалось сжиганием газа сухой перегонки угля. В дальнейшем развитие коксовых печей пошло по пути конструиро- вания горизонтальных камерных печей. По способу обогрева различа- лись печи с горизонтальными и вертикальными обогревательными кана- лами. В печах с горизонтальными обогревательными каналами затруднен равномерный обогрев коксующейся массы угля. Высокие температуры конца печи, где происходит горение отопительного газа, вызывают не- равномерный обогрев коксовой камеры и большие потери тепла через 103
кладку. Кладка печей с горизонтальными обогревательными каналам»' обладает малой прочностью и требует частых ремонтов. Ввиду перечисленных недостатков внимание конструкторов было, главным обра- зом, обращено на развитие печей с вертикальными обогревательными каналами, к типу которых принадлежат все современные системы коксовых печей. Бельгийский конструктор Коппе в своей системе печи использовал вертикальные отопительные каналы. Уже в первоначальном варианте печи Коппе имели ряд основных конструктивных элементов, присущих современным коксовым печам. Первые так называемые пламенные печи Коппе (рис. 42) были в свое время самой распространенной системой печей для коксования угля. Газообразные про- дукты сухой перегонки поступали непосредственно из камер коксования в обогре- вательные каналы. Здесь они смешивались с воздухом, подводимым через специаль- ные узкие отверстия, расположенные над каждой обогревательной стенкой и сго- рали, нагревая стены камеры. Таким образом, процесс коксования первоначально производился за счет сжи- гания в самой печи всех летучих продуктов сухой перегонки угля. Продукты горе- ния спускались вниз по обогрева тельным каналам и, собираясь в по- довых каналах, удалялись далее че- рез дымовую трубу. Благодаря раз- режению, создаваемому дымовой трубой, в печь засасывался воздух, необходимый для горения газа, Так как в отопительных каналах сгорала только часть газа, то несгоревший газ, выходивший вместе с дымом из труб, невысоких и установлен- ных по концам каждой батареи, за- горался при соприкосновении с воз- духом и горел ярким пламенем, освещая ночью окрестность (отсюда и название «пламенные печи»). За- грузка угля производилась через расположенные в своде камеры люки, которые затем плотно замазывались глиной, чтобы избежать засасывания воздуха. Отдельные камеры соединялись между собой небольшими отверстия- ми. Такое устройство давало воз- можность выравнивать количество Рис. 42. Печь Коппе. поступавшего в камеры коксового газа (выход газа при процессе коксования неравномерен: в первый период его получается больше, чем это нужно для обогрева данного простенка, а затем — меньше. Загрузка одной камеры в пламенных печах Коппе составляла 7—8 т при про- должительности коксования от 33 до 50 час. Пламенные печи в настоящее время не строятся, но они имеют исторический интерес, так как современные коксовые печи с улавливанием продуктов коксования были созданы на базе печей без улавливания. В печах с улавливанием летучих продуктов, газ из камер коксования поступает через особые вертикальные трубы, установленные на своде камер и называемые стояками, в общий горизонтальный газосборник, барильет. Для отключения камер от барильета (на время выдачи кокса и загрузки шихтой) колена, соединяющие стояки с барильетом, снаб- жены клапанами с гидравлическим затвором. Из барильета коксовый газ газовым насосом (эксгаустером) продвигается по трубам (газопро- водам) через охлаждающую и улавливающую летучие продукты аппа- ратуру химического завода, после чего либо возвращается на коксо- вые печи и сжигается в отопительных каналах, либо используется для других целей. Первыми коксовыми печами с улавливанием летучих продуктов сле- дует считать печи системы Кнаба, относящиеся к 1867 г. До восьмидесятых годов прошлого столетия печи с улавливанием расходовали на отопление почти весь свой газ. В лучшем случае оста- валось для использования на другие цели не более 20% газа' Темпера- 104
тура продуктов горения газа, уходивших из отопительных простенков; коксовых печей через подовые каналы в дымовую трубу, была 900° и более. С целью уменьшения потерь тепла с уходящим дымом нередко- в непосредственном соседстве с коксовыми печами устанавливали паро- вые котлы и отапливали их дымовыми газами или, как это было принято говорить, жар-газом коксовых печей (такие котлы-утилизаторы применялись иногда и на пламенных печах). Остаток неиспользованного коксового газа благодаря своей высокой калорийности начал поступать на металлургические заводы в качестве добавки к доменному газу. Это значительно облегчило ведение про- цесса плавки стали и повысило производительность мартеновских печей. Стремление уменьшить расход коксового газа на обогрев привело к постройке коксовых печей с регенераторами. В регенеративных печах тепло дымовых газов используется для подогрева1 воздуха, и таким образом возвращается в отопительную систему, повышая темпе- ратуру горения коксового газа и соответственно понижая его расход. Первые регенеративные коксовые печи были построены в 1883 г., почти одновременно с регенеративными печами системы Коппе. В коксовых печах с регенераторами отопительные вертикалы про- стенков разделяются на две группы, связанные между собой, соеди- ненные каждая со своим регенератором и работающие попеременно. Когда в вертикалах одной группы происходит горение газа (восходя- щий поток), вертикалы второй группы служат для отвода продуктов горения (нисходящий поток). Перемена направления движения газовых потоков (кантовка) осуществляется посредством особых клапанов через определенные и равные промежутки времени, обычно от 15 до 30 мин. Насадка регенераторов, нагретая теплом продуктов горения при нисхо- дящем потоке, после перемены направления движения газов отдает тепло воздуху, поступающему в вертикалы восходящего потока. В со- временных коксовых печах воздух подогревается до 1000° и выше. Коксовый газ поступает в горелки вертикалов по каналу, выложен- ному в кладке под вертикалами. Эти каналы, обычно называемые кор нюрами, соединены с газопроводом коксового газа посредством соот- ветствующей арматуры и кантовочных кранов. Продукты горения ухо- дят из регенераторов через кантовочные клапаны в боров с температу- рой в пределах 270—340°. Хорошие регенеративные печи расходуют на отопление около 45% вырабатываемого тми газа. Развившаяся потребность в высококалорийном коксовом газе при- вела к постройке комбинированных коксовых печей «компаунд», в ко- торых отопление печей коксовым газом, частично или полностью, может быть заменено отоплением доменным или генераторным газом. Для получения соответствующего теплового эффекта при отоплении коксовых печей низкокалорийным (бедным) газом в регенераторах не" обходимо подогревать не только воздух, но и газ. Поэтому печи ком- паунд снабжены регенераторами как для подогрева воздуха (воздуш- ными), так и для подогрева газа (газовыми). При переводе отопления печей компаунд на коксовый газ воздушный и газовый регенераторы служат для подогрева воздуха. Современные коксовые печи соединяются в батареи с числом печей обычно от 55—65 и до 69. По длинным сторонам батарей, несколько ниже уровня пода коксовых камер, устроены обслуживающие рабочие площадки. Под площадками находятся коридоры, называемые тунне- лями. В туннелях помещены трубопроводы отопительного газа коксо- вого и доменного, кантовочные клапаны и краны. Две, реже три, батареи, построенные в одну линию, образуют блок ' коксовых печей, обслуживаемых одним комплектом коксовых машин, 105
двигающихся по рельсовым путям, уложенным1 вдоль блока. Сторону блока, вдоль которой движется коксовыталкиватель, принято называть машинной, противоположная сторона, на которую производится выдача кокса, носит название коксовой. Современные коксовые печи Печи системы Отто Развитие современных коксовых печей можно проследить на при- мере развития печей системы Отто. Отопление печей этой системы конструкции 1883 г. производилось следующим образом: горение газа начиналось под коксовой камерой в подовом канале, разделенном глухой поперечной перегородкой на две половины. Из подового канала обогревающие газы подымались в вер- тикалы одной половины простенка, проходили через верхний газосбор' ный канал и спускались по вертикалам второй половины простенка. Дымовые газы по второй половине подового канала направлялись через регенератор в боров дымовой трубы. Направление движения газов ме' нялось периодически то в одну, то в другую сторону. С каждой стороны печей имелось по два регенератора, располо- женных вдоль батареи. Больший регенератор служил для подогрева воздуха, меньший — для подогрева газа. Однако очень скоро от газо- вых регенераторов из-за большой их взрывоопасности отказались. Крупным недостатком первых печей Отто был значительный перегрев подовых каналов. В печах конструкции 1890 г. для горения газа был устроен непосред- ственно под обогревательными вертикалами простенка особый распределительный продольный канал, причем газ поступал в этот канал в соответствии с направле- нием горения то с коксовой, то с машинной стороны. Однако в этой конструкции выявился другой недостаток, а именно, трудность равномерного распределения ото- пительного газа и воздуха по всей длине простенка. В печах конструкции 1910 г. обогревательный простенок состоит из ряда со- вершенно самостоятельных обогревательных вертикалов. В каждом вертикале имеется газовая горелка, около которой расположен проход из подового канала для впуска воздуха. Горение газа происходит попеременно в каждой половине обогре- вательных вертикалов. Продукты горения поднимаются вверх и, проходя через верх- ний сборный горизонтальный канал, опускаются по второй половине отопительных вертикалов. Отсюда через воздушные окна дымовые газы проходят через подовый канал в регенератор и затем уходят в дымовую трубу. Регенераторы строились по одному на .машинной и коксовой стороне и распо- лагались по длине батареи коксовых печей. Для дозировки газа по отдельным обогревательным каналам в патрубки, отхо- дящие от распределительного газового канала, были вставлены специальные кали- брованные горелки-дюзы. Дальнейшее улучшение конструкции регенераторов и распределения подаваемого воздуха заключалось в том, что отдельные регенераторы с машинной и коксовой стороны были перенесены непосредственно под коксовые камеры и дозировка воздуха производилась под каждый обогревательный простенок. Так возникли индивидуальные регенера- торы для каждой пары отопительных вертикалов в конструкции печей 1920 г. Печи эти имели ряд преимуществ по сравнению со старыми кон' струкциями: текущий ремонт печей можно было производить, не оста' навливая всей батареи; регулировка подачи воздуха и газа осу- ществлялась значительно более просто. Однако основная задача равно- мерного обогрева печей еще не была разрешена. При увеличении высоты печей этот недостаток сказывался еще сильнее. Необходимо было добиться более равномерного распределения температуры по высоте обогревательного вертикала и выравнивания температуры по высоте коксового пирога. 106
Эта задача была разрешена тем, что воздух в вертикалы подавался на одном и том же уровне, а газ на разных высотах, С этой целью горелки в отопительных вертикалах одного и того же простенка рас- полагались на разных высотах. В последних конструкциях печей Отто .использован принцип «сдвоен- ных» или «парных» вертикалов: весь обогревательный простенок раз- бивается на участки, каждый из которых состоит из двух вертикалов. Если последовательно занумеровать вертикалы, то в каждом участке окажется один четный и один нечетный вертикал. Подача отопитель- ного газа и горение его происходят попеременно то в четных, то в не- четных вертикалах простенка. На рис. 43 дано схематическое изобра- жение печи Отто, обогреваемой коксовым газом. Коксовый газ подводится снизу из подвального помещения в ка- ждый вертикал отдельно. Вертикальные подводящие газ каналы — вер- тикалы 1 выложены в кладке стен, разделяющих регенераторы. В под- вальном помещении для отопления каждого простенка, от общего газо- провода 2 отходят два распределительных газопровода, из которых один 3 соединен с каналами нечетных, а другой 4 — четных вертика- Рис 43. Печь Отто, обогреваемая коксовым газом: /—вертикалы; 2—общий газопровод; 2 и 4—распределительные газопроводы; 5 — регенераторы; 6—клапаны. лов простенка. Кантовочные краны расположены на соединении рас- пределительных газопроводов с общим газопроводом. Направление подачи газа меняется через каждые полчаса. Измене- ние направления производится поворотом особых кантовочных кранов, которые соединяются посредством рычагов с общим тросом, приводи- мым в движение специальным механизмом— кантовочной лебедкой. В соответствии с изменением направления отопительного газа изме- няется при помощи клапанов 6, приводимых в действие кантовочной лебедкой, и направление движения газов через регенераторы 5. Благо- даря такой системе подачи газа и воздуха горение в батарее проис- ходит (если смотреть в плане) в шахматном порядке. На рис. 44 дано схематическое изображение коксовой печи ком- паунд системы Отто. Конструктивные элементы этой печи аналогичны элементам печи, обогреваемой только коксовым газом. Основное различие заключается в устройстве регенераторов. Газ из газоподводящего канала 6 прохо- дит через газопровод 4, распределительные газопроводы 5 и по рас- 107
пределительным каналам 3 поступает в вертикалы 2. Регенератор / комбинированной печи разделен двумя продольными перегородками на три части: при обогреве печей бедным доменным или газогенератор- ным газом последний поступает в среднее широкое отделение регене- ратора, в то время как в крайних узких частях подогревается воздух. При работе на коксовом газе все три отделения служат для подо- грева воздуха. Подовые каналы 7, расположенные под регенераторами, служат попеременно для подвода воздуха и газа и для отвода продук- тов горения. Подовые каналы соединены с регенераторами отверстиями, снаб- женными задвижками, что дает возможность обеспечить правильное распределение воздушного потока по длине простенка в случае работы на коксовом газе и воздушного и газового потоков — при работе на бедном газе. Рис. 44. Печь компаунд системы Отто: 7 — регенераторы; 2 — вертикалы; 3— распределительные каналы; 4 — газопровод; 5 — распределитель- ные газопроводы; 6— газоподводящнй канал; / --подовый канал. Подовые каналы посредством специальных кантовочных клапанов соединены с боровом, газопроводом бедного газа и атмосферой. При работе на бедном газе эти клапаны либо пропускают в соответствую- щие регенераторы газ и воздух, либо соединяют подовые каналы реге- нератора с боровом. При отоплении коксовым газом подовые каналы соединяются кантовочными клапанами либо с атмосферой для подачи воздуха, либо с боровом. Основные достоинства печей последней системы Отто (с парными каналами) следующие: 1. Уничтожение горизонтального сборного канала путем сдваивания всех вертикалов отопительного простенка и, как следствие, правильное распределение газа и воздуха по вертикалам, равномерность обогрева по длине обогревательного простенка и повышенная прочность его. 2. Невысокий расход газа на коксование и равномерный обогрев камеры по высоте благодаря расположению горелок на разной высоте от пода. 3. При работе на бедном газе между регенераторами для газа и для продуктов горения всегда находится воздушный регенератор, чем избегается возможность просасывания отопительного газа в регенера- тор, работающий на продуктах горения. 108
Недостатками печей Отто являются высокая стоимость постройки этих печей и деление регенераторов на сравнительно мелкие ячейки, что делает их трудно доступными для ремонта. Печи системы Коппе На рис. 45 схематически изображена печь Коппе последней кон- струкции. Поперечные регенераторы, расположенные под камерами коксования, служат при отоплении богатым газом только для подо- грева воздуха, при отоплении бедным газом — для подогрева газа и воздуха. Регенераторы 2 расположены попарно: два на восходящем, два — иа нисходящем потоке. Вертикалы 3 — парные. Каждый вертикал со- единен двумя косыми ходами с соответствующей парой регенераторов. Для лучшего разделения потоков различного направления со зна- чительной разностью давлений, регенераторы, по которым поступает воздух и газ (при отоплении бедным газом), отделяются утолщенной стенкой от регенераторов, по которым' опускаются продукты горения, Количество подаваемого воздуха регулируется специальными пла- стинками у входа в воздушные регенераторы. Количество бедного газа, поступающего в регенератор по газопроводу б, также регулируется Рис. 45. Печь Коппе последней конструкции: 7 — боров; 2— регенераторы; 3— вертикалы; 4 —регистры; 5— газопровод коксового газа; 6 —газо- провод бедного газа; 7—боров. особыми кранами или задвижками. Подвод коксового газа по газопро- воду .5 регулируется при помощи сменных калиброванных диафрагм, расположенных при кантовочных кранах. Распределение необходимого количества газа и воздуха по отдельным вертикалам осуществляется изменением тяги в вертикалах при помощи перестановки регистров (плоские подвижные кирпичи, которые можно надвигать на круглые отверстия верхнего горизонтального ряда кладки вертикалов). Вертикал, имеющий прямоугольное сечение, перекрыт сверху одним рядом кирпичей, образующих круглое отверстие, ведущее в про- странство, соединяющее смежные вертикалы. Регистры передвигаются железным прутом через смотровые колодцы, устроенные над каждым вертикалом. Общее изменение режима отопления всей батареи осуществляется в определенных пределах путем изменения общей тяги в боровах 7 дымовой трубы и давления отопительного газа в распределяющем газо- проводе. В печах Коппе указанной конструкции продукты горения от- водятся поочередно с коксовой и машинной стороны так, что из двух боровов, расположенных по сторонам батареи, в каждый данный мо- мент работает только один. 109
Рис. 46. Схема соединения боровов у печей Коппе. Для устранения этого недостатка, оба борова соединяются между собой ходом или трубопроводом, по которому продукты горения из рабо- тающего борова частично проходят во второй боров, уменьшая тем самым сопротивление тяге и облегчая регулировку отопления. На рис. 46 дана схема соединения боровов у печей Коппе. Достоинством печей Коппе является применение в них принципа сдвоенных вертикалов, что обеспечивает хорошую равномерность обогрева по длине про- стенка. Недостатки печей Коппе: большая поверхность разделительных стенок реге- нераторов, через неплотности кладки которой возможно просасывание воздуха и газа; односторонний отвод продуктов горения из каждой печи приводит к повышенному сопротивлению отопительной системы и необходимости создания повышенной тяги. Печи системы Копперса с круговым потоком газа Печь Копперса является в настоящее время одной из наиболее совершенных конструкций. Схематический разрез печи компаунд си- стемы Копперса с круговым потоком изображен на рис. 47. Отопительный простенок имеет 26 вертикалов, разделенных сплош- ными поперечными стенками на 13 парных вертикалов. Стенка, от- Рис. 47. Печь компаунд системы Копперса с круговым потоком газов: /, 2—регенераторы; 5, 4—подовые каналы; 5—корнюры. деляющая в парном вертикале восходящий поток от нисходящего, не доходит до верха вертикала, а внизу около пода имеет окно. Часть продуктов горения под влиянием инжектрирующего действия засасывается восходящим потоком через это окно и, разбавляя газо- воздушную смесь, замедляет процесс горения. Факел горения вытяги- вается в высоту, увеличивая площадь интенсивной теплопередачи в выравнивая температуру по высоте вертикалов. ИО I
Обычных регистров вертикалы этой системы не имеют. Регулировка количества воздуха и бедного газа, подаваемого в каждый вертикал, производится расстановкой так называемых «бананов» (особые кирпичи клиновидной формы, которые помещаются в отверстиях косых ходов из регенераторов при выходе в вертикал). Передвижением «банана» при помощи железного прута, опускаемого сверху печи через вертикал, можно изменять свободное сечение вы- ходного отверстия косого хода. При обогреве этих печей коксовым газом движение газов происхо- дит следующим образом: коксовый газ из газопроводов, расположен- ных в туннеле, подается одновременно с обеих сторон печи в один из корнюров (правый или левый). При подаче газа с обеих сторон в кор- нюры газ распределяется по нечетным обогревательным каналам всего простенка. В этом случае через клапан и регенератор 2 поступает воз- дух. Часть последнего непосредственно проходит в нечетные обогрева- тельные каналы, расположенные над этим регенератором; другая часть воздуха поступает в подовый канал 4 и проходит в нечетные обогре- вательные каналы второй половины простенка. Горение происходит по всему отопительному простенку, в данном случае в нечетных вертикалах. Продукты горения опускаются по чет- ным вертикалам из одной половины печи по косым ходам, непосредственно в регенератор /, из дру- гой половины печи в по- довый канал 3 и оттуда также в регенератор 1 и затем в боров и дымо- вую трубу. Подовые ка- налы 3 и 4 в середине печи перекрещиваются. Через определенный про- межуток времени (15—30 мин.) направление дви- жения газов меняется: газ с обеих сторон печи поступает через корню- ры 5 в четные вертикалы, воздух проходит по реге- Рис. 48. Схема движения газов в печи компаунд системы Копперса: /, 2-- регенераюры. нератору 7, а продукты горения из нечетных вертикалов поступают в регенераторы 2. Каждый вертикал соединен косыми ходами с двумя смежными регенераторами (непосредственно или через подовый канал). В случае отопления бедным газом во всех половинах регенераторов с одной стороны батареи попеременно проходит в одном воздух и в другом газ, а по другим половинам отводятся продукты горения. Схема движения газовых потоков в печи Копперса компаунд изоб- ражена на рис. 48. Достоинством печей Копперса с круговым потоком является отсут- ствие продольных стен, разделяющих регенераторы, работающие на различных потоках, что значительно уменьшает возможность просасы- ваиия газов из одного регенератора в другой. Односторонний отвод продуктов горения поочередно через борова то с машинной, то с коксо- вой стороны в данном случае вполне оправдывается удобным располо- жением регенераторов. Наличие кругового потока повышает равномерность прогрева угля по высоте и несколько сокращает период коксования. 111
Недостатки лечи -- трудность регулировки обогрева середины лечи при изменении режима и конструктивная сложность места перекрещи- вания двух подовых каналов, что приводит к увеличению числа марок фасонного кирпича, требующегося для кладки. Печи системы Беккера Одной из наиболее распространенных в настоящее время в СССР коксовых печей являются печи Беккера (рис. 49). Рис. 49. Печь Беккера: /•—коксовая камера; -—регенераторы; 3—перекидной канал; 4—вертикалы; газопроводы; 6—косые ходы; 7—регистры; 8—боров. Основная особенность печей Беккера заключается в том, что все вертикалы 4 каждого простенка одновременно работают либо на вос- ходящем потоке (иа горении), либо на нисходящем (на тяге). Это до- стигается устройством над коксовыми камерами 1 нечетных печей осо- 112
бых перекидных каналов 3, по которым продукты горения восходящего потока поступают в нисходящий. Под каждым отопительным простен- ком расположены два регенератора 2: газовый и воздушный. Стенка регенератора, отделяющая восходящий поток от нисходящего, распо- ложена под коксовой камерой. Таким образом каждая нечетная печь находится внутри замкнутой отопительной системы. Движение газовых потоков из газопроводов 5 в соседних отопительных системах происхо- дит в следующем порядке: на горении находятся простенки 1 и 4, 5 и 8, 9 и 12 и т. д., на тяге 2 и 3, 6 и 7, 10 и 11 и т. д. В соответ- ствии с простенками два первых регенератора работают на восходя- щем потоке, затем четыре смежных «а тяге, четыре на восходящем и т. д. до двух последних. После кантовки направление потоков из- меняется на обратное. Расположение регенераторов по четыре позво- ляет поместить газовые регенераторы между воздушными и тем1 предотвратить утечку газа через разделительную стенку в боров. Грубая регулировка поступления воздуха и газа при отоплении бед- ным газом осуществляется установкой «бананов» в косых ходах 6. Регулировка обогрева простенка производится путем изменения рас- становки регистров 7 над вертикалами. Достоинствами коксовых печей системы Беккера являются: простота конструкции; возможность точной регулировки каждого обогреватель- ного простенка благодаря наличию отдельных замкнутых обогреватель- ных систем; уменьшение размеров сборного горизонтального канала вследствие устройства нескольких перекидных каналов; небольшая поверхность стен регенераторов, разделяющих восходящий и нисходящий потоки (вследствие зеркального расположения соседних отопительных систем). Однако система не свободна от недостатков: неудачная перевязка и расположение термических швов в корнюрной зоне печи, способ- ствующая появлению прогаров; наличие продольной стены, разделяю- щей регенераторы на восходящие и нисходящие потоки. Классификация современных коксовых печей Классификация может быть проведена по двум основным призна- кам: по конструкции регенераторов и по типу обогревательного про- стенка. Современные коксовые печи можно охарактеризовать, как печи с комбинированным обогревом (богатым или бедным газом), с горизон- тально расположенной камерой коксования, вертикальными обогрева- тельными каналами, с использованием тепла отходящих продуктов го- рения в регенераторах. В зависимости от конструкции регенераторов печи можно разделить на печи с продольными и поперечными регенераторами. Продольные регенераторы располагаются вдоль батареи и являются общими для всех печей батареи. На каждую батарею печей необхо- димы два регенератора (с машинной и коксовой стороны), для того чтобы они попеременно нагревались уходящими дымовыми газами и отдавали тепло проходящему воздуху. Поперечные регенераторы располагаются под камерами коксова- ния вдоль оси печей и обслуживают индивидуально один или два обо- гревательных простенка. В настоящее время все строящиеся у нас коксовые печи оборудованы поперечными регенераторами, так как практика показала их несомненные преимущества по сравнению с про- дольными регенераторами. При ремонте отдельных камер регенерато- ров во время остановки отдельных печей или группы печей нет необхо- димости останавливать всю батарею; можно более точно и легко регу- лировать как подвод газа и воздуха, так и отвод продуктов горения 8 Зак. 3G10. Общая хпмнч. технология топлива. 113
индивидуально для каждого из обогревательных простенков. Прохо ждение газовых потоков встречает меньшее сопротивление. Поперечные регенераторы, в свою очередь, .можно разбить на две основные группы: регенераторы первой группы разделяются попереч- ной перегородкой на две половины, одна из которых А служит для по- догрева воздуха (и газа, в случае работы на бедном газе), другая Б — для отвода дымовых газов. Подобный тип регенераторов, схематически изображенный на рис. 50, применяется в печах системы Копперса, Мосгипрококса и др. Рис. 50. Регенераторы типа Копперса: А— половина для подогрева воздуха; Б—половина для отвода дымовых газов. Достоинством регенераторов этого типа является малая площадь стен, разделяющих регенераторы с разными направлениями потоков. В силу этого устраняется возможность засоса обогревательного газа или воз- духа в продукты горения и уноса их в дымовую трубу. Вследствие значительной ширины эти регенераторы сравнительно легко доступны для очистки и ремонта. Недостатком их является не- обходимость устройства Рис. 51. Регенераторы типа Беккера. при парных вертикалах особых каналов вверху регенератора для подачи газа и воздуха в отопи- тельные каналы. Во второй группе по- перечных регенераторов подогрев воздуха или газа происходит по всей длине регенераторов, то- гда как отвод продуктов горения производится по всей длине соседних ре- генераторов. Этот тип регенерато- ров (рис. 51) имеется в печах Беккера, Отто и др. рого типа подвод воздуха стенки более прост и не В регенераторах вто- или газов в отдельные обогревательные про- требует устройства дополнительных распре- делительных каналов. К недостаткам второго типа надо отнести наличие большой пло- щади соприкосновения регенераторов, работающих на разных потоках и при равных давлениях, вследствие чего неизбежен засос воздуха в дымовые регенераторы. 114
Вторым признаком, по которому можно классифицировать разно- образные системы коксовых печей, является конструкция обогреватель- ных простенков. В этом отношении конструкции коксовых печей можно разбить на три группы. Первая группа печей характеризуется тем, что в них обогреватель- ные каналы по длине простенка разделяются на две половины или несколько секций. В одной половине обогревательных каналов (или секций) происхо- дит сгорание подводимого снизу газа, продукты горения подымаются вверх (восходящий поток), собираются в общем верхнем горизонталь- ном канале, по которому переходят во вторую половину простенка (или секции) и уводятся по второй половине обогревательных каналов, опускаясь по ним вниз (нисходящий поток). Недостатком этой системы является уменьшение механической устойчивости простенка в результате устройства сборного горизонталь- ного канала. Эта система обогревательных каналов имеется в печах Копперса (старой конструкции), Коппе, Пьетта, Штиля и Когаг. Вторая группа печей характеризуется сдвоенными обогреватель- ными каналами. Весь обогревательный простенок разделен на отделы ные топочные элементы, состоящие из двух вертикалов, работающих попеременно на восходящем и нисходящем' потоке. Достоинствами системы сдвоенных каналов являются: равномер- ность обогрева обогревательного простенка по длине; равномерность распределения газов по отдельным вертикалам и повышенная прочность всего обогревательного простенка вследствие отсутствия в нем гори- зонтального канала. К этой группе печей можно отнести печи Отто, Копперса с круго- вым потоком, Коппе последней конструкции, Коллена и Мосгипрококса. Третья система обогревательных каналов свойственна печам Бек- кера. Движение газов в обогревательных каналах по всей длине про- стенка происходит здесь в одном направлении — то в восходящем, то в нисходящем. Все обогревательные каналы простенка разбиты на 5—6 групп. Группы обогревательных каналов, расположенные по обе сто- роны камеры коксования, сообщаются между собой посредством особых перекидных каналов. Особую систему обогрева имеют опытные печи Грум-Гржимайло, в которых отсутствуют отдельные обогревательные каналы в простен- ках для принудительного движения газов. Размеры коксовых печей Большинство современных систем коксовых печей различается основными размерами и емкостью камер, а также количеством отдель- ных фасонов огнеупорного кирпича, весом огнеупорной кладки и по- лезным объемом. Точно так же разные системы коксовых печей разли- чаются основными размерами регенераторов, количеством рядов на- садки в них и размерами насадочного кирпича. Сравнительные данные об основных размерах коксовых камер приведены в табл. 38. Рассмотренные конструкции коксовых печей достаточно совершенны в теплотехническом отношении и хорошо механизированы, обладают высокой производительностью и обеспечивают хорошее качество кокса. Все же эти конструкции печей не могут быть признаны идеальными. Необходимо создание таких конструкций коксовой печи, которые увеличили бы выходы продуктов коксования и предохранили эти про- дукты от разложения при высоких температурах. При этом необходимо 8* 115
Размеры коксовых печей ТАБЛ I ГА Система печей Полез- ная длина печи в мм Полная высота камеры в мм Ширина камеры в мм Расстояние между осями печей в мм Количество вертикалов в обогрева- тельном простенке с машин- ной сто- роны С коксо- вой' сто- роны Беккер 12318 4267 382 432 1143 27 Отто 12140 3800 370 430 1050 26 Коппере 11930 4200 380 420 1150 26 Коппе 12626 4250 375 425 1100 28 Мосгипрококс . . . 12872 4300 375 425 1050 32 Дистикок 12950 4270 374 438 1143 28 стремиться к максимальному упрощению кладки печей и уменьшению удельного расхода огнеупорного материала не в ущерб, однако, герме- тичности, механической прочности и продолжительности службы коксо- вых печей. В последние годы как в СССР, так и за границей большое внима- ние уделяется проблеме создания конструкций непрерывнодействую- щих коксовых печей. Непрерывные вертикальные печи Непрерывные вертикальные печи имеют следующие преимущества перед печами периодического действия: 1) малую площадь, занимае- мую коксовым блоком; 2) отсутствие выделения газов в атмосферу; 3) уменьшение числа обслуживающих механизмов (без коксовыталки- вателя и загрузочного вагона); 4) снижение эксплоатационных расхо- дов; 5) увеличение среднегодовой производительности печи; 6) удлине- ние срока службы камер, в результате более постоянного температур- ного .режима; 7) возможность регулирования выхода и калорийности газа путем отвода газов на разных горизонтах, а также применения парования и 8) улучшение качества химических продуктов. Характеристика разработанных Гипрококсом вертикальных коксо- вых печей непрерывного действия (регенеративные с комбинированным обогревом) приведена в табл. 39. ТАБЛИЦА 39 Характеристика вертикальной коксовой печн непрерывного действия (Гипрококс) Место измерения Размеры камеры в мм Полезная емкость камеры в Л3 Насыпной вес шихты в т/м^ высота ширина длина Верх Низ Середина. . . 300 400 350 2800 3200 3000 Полная 9000 1 Полезная 7500 | 7,88 0,72 Период коксования рассчитан на 10,5—13 час. При вводе в печь 20—30% пара от веса перерабатываемого угля можно повысить выход газа до 500—550 м3/т шихты. 116
Загрузка производится через каждые 1—2 часа. Тушение кокса осуществляется в выгрузочном бункере водой или паром. Газ отво- дится из печи в нескольких точках на разных уровнях по высоте печи, поступая через стояки в барильет. Арматура коксовых печей Основным условием для нормального режима коксования прежде всего является герметичность коксовой камеры. Это достигается кон- струкцией дверей коксовых печей и загрузочных люков. Двери коксовых печей в зависимости от характера уплотненя бы- вают трех видов: 1) с уплотнением глиной; 2) с уплотнением азбесто- вым шнуром; 3) самоуплотняющиеся с уплотнением «железо по железу». В первом случае обмазывают место стыка двери с головкой печи специаль- ной глиняной замазкой. Во втором случае между дверью и армирующей рамой зажимается азбесто- вый шнур, который прикреплен к двери специальной рамкой. Наконец, в дверях «железо по железу» к выступу арми- рующей рамы плотно прижимается ребро специальной рамки двери. Хорошая об- работка соприкасающихся поверхностей позволяет достичь удовлетворительного уплотнения. На рис. 52 показано устройство две- рей «железо по железу». Дверь, состоя- щая из коробки 1 и 2, устанавливается в армирующую раму 3, зажимается ри- гелями 4, закладываемыми в крюки 5, укрепленные на армирующей раме. Вну- тренняя часть коробки 2 заполняется шамотной футеровкой. Уплотнение двери производится сталь- ной пластинкой 6, идущей вокруг всей двери и несущей на себе угловое же- лезо, один край которого несколько заострен и прижимается к выступу 7 армирующей рамы. Двери машинной стороны имеют от- верстие 8 для ввода планира, закрывае- мое крышкой 9, которая прижимается к двери специальными устройствами — роликами 10. На двери имеются карманы 11, за которые дверь захватывается лапами Рис. 52. Дверь .железо по же- лезу": / и 2—коробки; 3— армирующая рама; 4—зажимные ригели; 5—крюки; 6— уплотняющая стальная пластина; 7— выступ рамы; Я—отверстия для вво- да планира; 9—крышка; 70—ролики; /7—карманы. двереэкстрактора. Двери с уплотнением «железо по железу» наиболее совершенны и надежны в эксплоатацни. Конструкция загрузочного люка весьма проста:’ в чугунную раму, вделанную в кладку печей, вставляется крышка, уплотняемая глиня- ным раствором (заливка люков). Уплотняющий слой глины предохра- няет от засоса воздуха в печь и выбивания газа из люка. Одним из требований эксплоатацни печей является обеспечение герметичности загрузочных люков. 117
Анкерах коксовых печей состоит из армирующих рам (печной брони), анкерных колонн и поперечных анкерных стяхек. На рис. 53 показана арматура коксовых печей, закладываемая в печную кладку. Анкерах коксовых печей слухит для предотвращения расстройства швов печной кладки при растопке и эксплоатации печей и для удер- хания дверных рам 5. Армирующие рамы прихимаются к головкам печи анкерными колоннами J. Последние закрепляются вверху и внизу печи поперечными анкерными стяжками 2, из которых нижние уклады- ваются в фундаментной плите, а верхние — по верху печей. Анкерные колонны должны удерхивать кладку печи под определенным напряже- нием. Его величина регулируется при растопке печей с учетом роста их кладки. На верхней площадке печей имеются наблюдательные глазки или смотровые глазки 3 для замера температур, контроля за горением, от- бора проб для анализа продуктов горения и т. д., а также загрузочный Рис. 53. Арматура коксовых печей: 1—анкерные колонны; 2—поперечные анкерные стяжки; 3, 4—-смотровые глазки; 5—рама печных дверей; 6—загрузочный люк. люк 6. В верхней части торцевой стены регенераторов вделаны смотро- вые глазки 4 для наблюдения за режимом работы регенератора. Помимо указанного выше, коксовые печи имеют арматуру для под- вода и распределения газа, идущего на обогрев печей (газовую обо- гревательную арматуру). Наконец, коксовые печи снабжены специальной арматурой для газа (стояки с коленами и общий газосборник или барильет, нередко назы- ваемый гидравликой). Стояком называется специальная отводная труба из каждой цени, по которой удаляется коксовый газ. Ряд стоя- ков, по числу коксовых печей в батарее, обычно расположен на ма- шинной стороне. Печи системы Беккера часто сооружаются с рядами стояков с обеих сторон печи — машинной и коксовой. В печах совре- менных конструкций стояки.(рис. 54) футерованы огнеупорным (шамот- ным) кирпичом. Толщина футеровки составляет 60 лш; диаметр стояка <в свету между футеровкой) равен 330 мм. Нижняя часть стояка же~ 118
лезная; верхняя коробка (колено) чугунная, состоит из двух частей, в стыке уплотненных азбестовым шнуром. Клапан 1 в нижней части колена стояка предназначен для включения и отключения стояка от барильета 6 рычагом 2. Отверстие 3 в верху стояка с крышкой служит для отвода из печи газа при отключении стояка от барильета. Через отверстие 4 в колено стояка вводится форсунка для оросительной над- Уплотнение из шамотной массы смольной воды. Отверстие 5 служит для ввода пара в стояк при за- грузке печи, для отсоса выделяющихся при этом газов (инжекция). Машины и механизмы коксовых печей К основным машинам относятся: загрузочный вагон, служащий для наполнения камер печей шихтой, коксовыталкиватель, служащий для выталкивания или «выдачи» готового кокса, двереэкстрактор с направ- ляющим устройством и тушильный вагон, предназначенный для приема выдаваемого из печей кокса. Для охлаждения или мокрого тушения раскаленного кокса каждый коксовый блок снабжается специальным устройством. Обычно, это так называемая тушильная башня, в которой кокс заливается водой. Зна- чительно реже применяются методы так называемого сухого тушения кокса инертными газами. При мокром методе тушения параллельно печам с коксовой стороны сооружается коксовая рампа, т. е. наклонная площадка, служащая для приемки потушенного кокса и перегрузки его на транспортер, подаю- щий кокс на коксосортировку. Для периодического изменения направления потоков газа, воздуха и дымовых газов в отопительной системе батареи устанавливается так называемая кантовочная лебедка. Кроме того, в отопительной системе батареи имеется вспомогательный механизм—декарбонизационная ле- бедка. 119
3 Рис. 55. Загрузочный вагон: / — загрузочный бункер; 2—тележка; 3—телескоп. Рис. 56. Устройство для чистки стояков; 7—загрузочный вагон; 2—лебедка; 3— консольный кран; 4—груз дли чистки — ,баран“; 5—стояк. Загрузочный вагон. Загрузочный вагон (рис. 55) служит для за грузки шихты в печи. Вместимость вагона несколько больше полезной вместимости печной камеры и обычно составляет 15—16 т. Вагон представляет систему бункеров /, смонтированных на общей тележке 2, и передвигается по путям, проложен- ным по верху коксо- вой батареи. Число бункеров определяется числом загрузочных люков печи и обычно равно 3 или 4. Нижняя часть бун- керов загрузочного ва- гона представляет усе- ченный конус и кон- чается выпускными трубами, диаметр кото- рых соответствует диа- метру загрузочных лю- ков печи. Трубы снаб- жены телескопами 3, которые при загрузке перекрывают простран- ство между загрузоч- ным люком и краем вы- пускной трубы. Часто телескопами снабжается и верх загрузочного бункера. Выпускные трубы закрываются плоскими шиберами или сегментными затворами. Так как телескоп опускается значительно раньше, чем полностью» раскроется шибер, то обеспечивается плотная насадка телескопа на раму загрузочного люка. Во избежание поломок, неизбеж- ных в случае, если движение вагона по какой-либо причине начнется при опущенных телескопах, вагон снаб- жен электрическим выключателем, автоматически выключающим в этом случае ходовой мотор. Для устранения застревания шихты в бункерах, в них устроены специаль- ные карманы, через которые произво- дится шуровка. В большинстве слу- чаев бункеры современных загрузоч- ных вагонов снабжаются ме!палками, приводимыми в действие вручную. Загрузочные вагоны 1 снабжаются также устройством для чистки стоя- ков коксовых печей (рис. 56), состоя- щим из лебедки 2 и небольшого кон- сольного крана <3, к которому подве- шен передвигающийся внутри стояка тяжелый груз цилиндрической формы с острыми выступами на поверхности — «баран» 4 для чистки стояка. Загрузочный вагон передвигается со скоростью 70—100 м/мин, и весит 20—25 т. 120
Загрузочные вагоны отечественной конструкции значительно усовер' шенствованы по сравнению с аналогичными вагонами иностранных типов. Вагон оборудован также ручными приводами для открывания и за- крывания шиберов и опускания и поднимания телескопов. Моторные привода имеют резервные ручные привода на случай перебоев в подаче электроэнергии. Коксовыталкиватель. Коксовыталкиватель является самой сложной и ответственной из машин, обслуживающих коксовые печи. Он слу- жит для выдачи (выталкивания) готового кокса из печей, для раз- равнивания (планирования) шихты в загрузочных печах и для откры- вания дверей печных камер с машинной стороны батареи. Коксовыталкиватель представляет собой мощную клепаную кон- струкцию, передвигающуюся по специальным путям, проложенным вдоль печей с машинной стороны. На этой конструкции расположены: механизм для выдачи кокса, механизм' для планирования, механизм для открывания и съема дверей, для открывания планирных люков, механизм для передвижения коксовыталкивателя и некоторые другие вспомогательные устройства. Штанга. Выдача кокса производится путем вдвигания в печь тя- желой металлической штанги (рис. 57), заканчивающейся выталкиваю' щей головкой 1 (прессом). Штанга установлена на опорных роликах 6 Рис. 57. Штанга коксовыталкивателя: / — пресс; 2— зубчатая рейка; 3— направляющие ролики; 4—опорный башмак; 5—камень; 6— опорные ролики. и приводится в движение от мотора в 70—80 кет и редуктора с по- мощью зубчатой рейки 2, прикрепленной к нижней поверхности штанги. Направляющие ролики 3, расположенные над штангой, препятствуют ее подниманию при выдаче кокса. На штанге имеется электрический конечный выключатель. Штанга снабжена опорным башмаком 4, который передает и рас- пределяет на под печи давление штанги. В нижней части головки штанги свободно подвешен параллелепипед — «камень» 5, который, не воспринимая нагрузки штанги, передвигается по поду печи, очищая его от кокса. На случай перебоев в подаче электрического тока коксо- выталкиватель снабжается ручной лебедкой, которая дает возможность вручную вытащить штангу из печи, если остановка произошла во время выталкивания кокса. Для удаления графита со сводов и стенок камер на коксовыталкивателе может быть смонтировано специальное устрой- ство, работающее сжатым воздухом, выжигающим графитные от- ложения. П л а н и р. Планирование или выравнивание загруженной в печь шихты производится путем передвигания под сводом' печной камеры планира — металлической штанги легкой конструкции. Планирная штанга приводится в движение от мотора в 30—40 кет наматыванием 21
или сматыванием с барабана троса, концы которого закреплены на планирной штанге. Изменение профиля нижней части планирной штанги дает возможность увеличивать объем загрузки в коксовой печи. Планир равновеликого сопротивления системы Гипрококса увеличи- вает загрузку печи примерно на 200—400 кг. Планир при выдвигании из печи увлекает с собой некоторое ко- личество шихты (обычно от 50 до 80 кг), высыпающейся из планир- ного отверстия печной двери. Для сбора этой шихты на коксовыталки- Рис. 58. Двересъемное устрой- ство: 1—рычаги с захватами; 2—крон- штейн; «У—штанга. вателе имеется устройство, состоящее из бункера, желоба и механизма для подни- мания и опускания последнего. Выгребаемая планиром шихта по же- лобу поступает в бункер на коксо- выталкивателе, из которого выгружается в специальный бункер и оттуда скиповым подъемником возвращается в угольную башню. Планитарное устройство также снабжа- ется ручной лебедкой на случай перебоев в подаче электрического тока. Двересъемное устройство. Механизм для открывания дверей коксовой печи состоит в основном из двух устройств: первое — для снятия двери с камеры печи, второе — для передвижения двери (отвод от камеры для чистки и подачи на место). На рис. 58 дана схема двересъемного устройства. Дверь коксовой печи снабжена специ- альными карманами, в которые заходят рычаги с захватами 1, укрепленными на кронштейне 2 штанги 3. После того как двересъемное устройство установлено про- тив печи, дверь захватывается этими рыча- гами и затем отводится от камеры. Штанга приводится в движение мотором в 7—10 кет. На некоторых типах коксовыталкивателей двересъемное устройство отводит снятую дверь в сторону, так что после снятия двери коксовыталкиватель готов к выдаче кокса. В большинстве случаев снятая дверь отводится по прямой к коксовыталкивателю; для выдачи кокса в таком случае необходимо передвинуть коксовыталкиватель настолько, чтобы штанга приходилась против оси выдаваемой печи. Моторная группа. На коксовыталкивателях современных типов установлено 4—5 моторов. 'Мотор для передвижения коксовыталкива~ теля имеет мощность 70—80 кет. Рабочие скорости передвижения от- дельных механизмов коксовыталкивателя следующие (в м/мин): Скорость выталкивания...............................23—25 „ планирования ............................... 50 „ двересъема...................................10—17 „ передвижения самого коксовыталкивателя . . . 50—80 Управление механизмами сосредоточенно в кабине машиниста коксо- выталкивателя. Коксовыталкиватель советской конструкции (тип 1939 г.) значм* тельно усовершенствован. Вес машины доведен до 115 т вместо 140 т при прежней конструкции. Переоборудована ходовая часть; улучшена 122
конструкция балансирных тележек и правильнее распределена общая нагрузка на 8 скатов. Облегчен весь узел механизма выталкивания; вы- браны более рациональные профили для штанги, введены сварные ше- стерни и коробка редуктора. Механизм планирования оборудован авто- матическим устройством, позволяющим производить планирование одновременно с работой двересъемного устройства. Применена пла- нирная штанга равновеликого сопротивления с изменением сечения пла- нира. При меньшем прогибе планирной штанги достигается увеличение полезной высоты коксовой камеры за счет изменения профиля планира. Предусмотрено простое устройство для установки штанги по высоте, чем уменьшается подсводовое пространство. Значительно усовершен- ствовано двересъемное устройство коксовыталкивателя; съемка и уста- новка дверей полностью осуществляются от моторного привода. На головке штанги двереснимателя оборудовано механическое устройство для отвинчивания и завинчивания ригельных винтов. Механизм' для подъема дверей производит помимо этого операцию сбрасывания ри- гелей. Двереэкстрактор с направляющей. Двереэкстрактор с направляю- щей для коксового пирога служит для съема и навешивания дверей е коксовой стороны и для направления коксового пирога во время его выдачи. Двереэкстрактор передвигается по рельсовым путям, уложен- ным на обслуживающей площадке коксовых печей с коксовой сто- роны. Двересъемное устройство совершенно аналогично такому же устрой- ству на коксовыталкивателе, отличаясь от него лишь длиной выдвигае- мой штанги. Направляющее устройство для коксового пирога состоит из пере- двигающейся при помощи зубчатых реек коробки, стенки которой об- разованы рядом горизонтально расположенных швеллеров, скрепленных вертикальными швеллерами. Перед выдачей кокса направляющая ко- робка подводится вплотную к дверной раме печи. В верхней части направляющей подвешивается железная плита, помогающая правиль- ному распределению кокса в тушильном вагоне. Ряд типов двереэкс- тракторов имеет неподвижное направляющее устройство. В этом слу- чае, после того как двереэкстрактор занял положение для приема ко- ксового пирога, между порогом камеры коксования и подом направляю- щего устройства опускается фартук, по которому и скользит выдавае- мый пирог. Во время выдачи кокса двереэкстрактор испытывает значительные □прокидывающие усилия. Для предотвращения опрокидывания либо устраивают верхний опорный ролик, который ходит по специальному рельсовому пути, либо закрепляют двереэкстрактор особыми крюками за анкерные стойки печи. Недостатком последнего способа является возможная деформация стоек и необходимость производить закрепле- ние при каждой выдаче кокса. В описанной конструкции двереэкстрактора снятая и отведенная назад дверь практически недоступна для осмотра и очистки, так как верхняя ее часть закрыта железной конструкцией, служащей для крепле- ния рельсов, по которым передвигается тележка штанги двересъемного устройства. В двереэкстракторах американских конструкций дверь сни- мается при помощи системы рычагов (захватов) и полностью доступна для осмотра. Кроме того, во многих американских конструкциях на- правляющее устройство независимо от двересъемного (так называе- мая— раздельная конструкция). Это вызвано тем, что, во-первых, на- правляющая коробка от действия раскаленного кокса быстро изнаши- вается, в то время как двересъемное устройство -при хорошем обслу- живании долго работает без капитального ремонта и, во-вторых, при 123
отдельном прицепном направляющем устройстве тележка с двересъем- ным устройством и всеми моторами может быть легко отведена в сто- рону при случайной остановке коксового пирога во время выдачи. Двереэкстрактор весит около 30 т и снабжен двумя моторами: мо- тор двересъемника мощностью в 5—10 кет и мотор передвижения мощ- ностью в 15-—25 кет. Скорость передвижения машины составляет 60—80 м в минуту. Раздельная конструкция по общему весу примерно на 10% больше веса совмещенной конструкции. Тушильный вагон. Тушильный вагон служит для приема кокса, вы- даваемого из коксовой печи, отвоза под тушильную башню и доставки потушенного кокса на рампу. Вагон передвигается электровозом по рельсовому пути, уложенному вдоль батареи с коксовой стороны. Уро- вень верхней кромки Дна тушильного вагона находится несколько ниже рабочей площадки с направляющей для кокса, уровень нижней кромки — несколько выше коксовой рампы. На рис. 59 показана схема тушильного вагона. Дно вагона накло- нено к горизонту под углом 27—28° и выложено чугунными плитами. Точно так же выложена чугунными плитами вся внутренняя часть ко- Рис. 59. Тушильный вагон. жуха вагона, соприкасающаяся с раскаленным коксом. Способ крепле- ния плит позволяет легко производить их замену. В стенке вагона, обращенной к рампе, имеются затворы, шарнирно подвешенные к верхней, неподвижной части стенки. Открывание за- творов производится посредством рычагов, скрепленных с проходящим вдоль вагона валом. Вал приводится во вращение сжатым воздухом, подаваемым компрессором с электровоза тушильного вагона. Управле- ние затворами производится с электровоза. На случай порчи компрессора или пневматического оборудования для открывания затворов установлен ручной привод, иногда заменяе- мый электромотором закрытого типа. Тушильный вагон передвигается со скоростью до 150—200 м/мин и весит 55—60 т. Тушильная башня. Тушильная башня представляет собой кирпич- ную или бетонную камеру, свободно вмещающую тушильный вагон. В верхней части камера переходит в широкую вытяжную трубу, слу- жащую для отвода выделяющихся при тушении кокса водяных паров и газов. В тушильной башне, несколько выше тушильного вагона, имеется оросительное устройство, состоящее из системы труб с брызгалами. Расположение труб обеспечивает равномерное орошение кокса в ту- шильном вагоне. Вода для тушения кокса подается из напорного бака, обычно по- мещенного над зданием насосной при тушильной башне. Выключение и включение подачи воды на новейших заводах автоматическое. 124
Стекающая с тушильного вагона вода поступает в расположенные рядом с тушильной башней отстойные бассейны, где освобождается от коксового шлама. Отстоявшаяся вода насосом передается снова в на- порный бак. Шлам из отстойных бассейнов периодически удаляется грейферным краном. Другие машины и механизмы, обслуживающие коксовые печи. Из встречающихся в практике коксохимических заводов машин, обслужи- вающих коксовые печи, следует упомянуть скиповый подъемник, рас- положенный обычно в конце батареи, примыкающей к угольной башне, и периодически поднимающий на угольную башню шихту, собранную коксовыталкивателем при планировании загруженных печей. На заводах, применяющих глиняное уплотнение печных дверей, в особенности в США, встречаются специальные механизмы для по- дачи глины и замазывания дверей. Устройство этого механизма про- стое: он представляет собою тележку, передвигающуюся по фронту печей, с площадками для рабочего, производящего замазку дверей. Эти площадки спускаются и поднимаются специальным механизмом на разную высоту. На некоторых заводах осуществлена механизация Рис. 60. Схема расположения рампы: /—рампа; 2—тушильный вагон;*.?—затвор; -/—площадка; 5—транспортер, уборки концов (кусков кокса, вывалившихся из печей на площадку при выдаче печей). За последнее время внедряется механизация обслужи- вания загрузочных люков. На советских коксохимических заводах внедряются сконструиро- ванные Гипрококсом тележки для бездымной загрузки коксовых пе- чей. На двухосной тележке, передвигающейся наверху печей с коксо- вой стороны по специальному рельсовому пути, смонтировано колено (внутренним диаметром 360 мм). Оба конца колена заканчиваются телескопами, удаленными друг от друга на расстояние, соответствую- щее расстоянию между осями соседних печей. В средней части колена в вертикальной плоскости расположен дроссель для регулирования количества газа, переходящего из загружаемой печи в соседнюю с ней. После выдачи кокса соединяют коленом камеру загружаемой печи с соседней. Для соединения коленом на каждой печи за последним загрузочным люком с коксовой стороны имеется специальный люк для бездымной загрузки. Для устранения выбивания газа и пламени из люка соседней печи в ее стояк впускается пар в момент открывания люка и подвода к нему колена. Работа тележки для бездымной за- грузки устраняет выделение газа из загрузочных люков, снижая по- тери газа и облегчая условия труда. 125
Рампа. Как упоминалось выше, коксовый блок снабжен рампой, нг. которую выгружается потушенный кокс из тушильного вагона (рис. 60). Рампа облицовывается чугунными плитами или клинкерным кир- пичом. Уголь наклона ее при кирпичной облицовке 28—30°. При чу- гунной облицовке он несколько меньше. Размеры рампы рассчитаны на размещение 4—5 выдач кокса. Обычно ее размеры: длина 50—60 м, ширина 5,5—6,5 м. При средней продолжительности промежутка времени между двумя последовательными выдачами 6—8 мин., пребывание кокса на рампе составляет в среднем 20—30 мин. На рампе вручную осуществляется, заливка недостаточно потушенных кусков кокса. Кокс из тушильного вагона 2 подается на рампу 1. Нижний край рампы снабжен затворами 3, удерживающими кокс на рампе; при правильно выбранном угле наклона кокс лежит на рампе слоем по- стоянной толщины. При поднятии затворов кокс сползает на располо- женный ниже рампы ленточный транспортер 5, которым передвигается на коксосортировку. Обслуживание транспортера и затворов, равно как и дополнитель- ная заливка недотушенного кокса, при недостаточно удовлетворитель- ной работе тушильного устройства, производится со специальной пло- щадки 4, устроенной вдоль нижнего края рампы. Коксосортировка. С рампы кокс подается в коксосортировку, рас- положенную в отдельном здании при коксовых печах (с коксовой сто- роны). В коксосортировках установлены специальные валковые гро- хоты гризли, разделяющие кокс на два сорта по крупности кусков: надгризлевым продуктом является металлургический кокс крупнее 25 мм, провал (подгризлевый продукт) — мельче 25 мм. Последний на грохотах Армса снова делится на две фракции: 0—15 и 15—25 мм. На заводах новейшей постройки применяют двойные грохоты на общей раме, используемые попеременно, путем передвижения тележки грохота под желоб питающего транспортера, в случае остановки или ремонта одного из грохотов. На коксосортировке имеется целая си- стема желобов, течек и промежуточных транспортеров, предназначен- ных для передвижения расклассифицированных фракций кокса либо в бункеры коксосортировки (обычно емкостью 30—40 т), либо на по- грузочные транспортеры. В силу сильного износа желобов от истирания коксом их прихо- дится футеровать. Обслуживание коксовых печей Загрузка печей шихтой Угольная башня'. Между двумя батареями или блоками коксовых печей строится угольная башня, в бетонных бункерах которой хра- нится запас шихты, обеспечивающий нормальную работу печей в про- должение 20—24 час. Угольная башня внутри разделена на несколько секций, каждая из которых заканчивается внизу двумя или тремя рядами разгрузоч- ных люков. Число люков в каждом ряду определяется числом загру- зочных люков печи и обычно равно 3—4. Загрузочные люки угольной башни снабжены шиберными или сег- ментными затворами, открывание и закрывание которых производит машинист загрузочного вагона. Под башней располагаются1 весы для взвешивания загрузочного вагона с шихтой. 126
Обычно рядом с угольной башней устанавливается бункер, в ко- торый периодически разгружается собранная коксовыталкивателем из- под планира шихта. Из этого бункера шихта скиповым подъемником подымается в укрепленный на угольной башне специальный добавоч- ный бункер, из которого время от времени спускается в загрузочный вагон. Заполнение загрузочного вагона. Загрузочный вагон устанавливается точно под одним из рядов разгрузочных люков угольной башни, так чтобы отверстия люков приходились против приемных воронок бунке- ров вагона. После этого машинист загрузочного вагона открывает люки и заполняет бункеры вагона шихтой. Для равномерности вы- грузки угольной башни, загрузочный вагон каждый раз! наполняется из следующего по очереди ряда разгрузочных люков. В загрузочных вагонах, снабженных телескопами, наполнение ших- той производится доотказа, т. е. до тех пор, пока шихта не переста- нет высыпаться из угольной башни в бункеры вагона вследствие образования подпора. После заполнения достаточно закрыть разгру- зочные люки башни, «срезать» опорный конус шихты и вагон готов к отправке на загрузку следующей коксовой печи. Так как камера коксовой печи расширяется в сторону выдачи, то бункеры загрузочного вагона, находящиеся с коксовой стороны печей, регулируются телескопом на соответственно большую емкость. Регули- ровка емкости бункеров тесно связана с принятым методом загрузки и имеет целью помочь равномерному распределению шихты в камере печи. Общая емкость загрузки рассчитана на максимальную полноту загрузки шихтой полезного объема печи. Последний зависит от вы- соты планирных люков и от тщательности планирования загружен- ных печей. Взвешивание загруженного вагона должно производиться воз- можно чаще правильного учета количества выжженного кокса, исходя из веса шихты. Загрузка печи. Заполненный шихтой загрузочный вагон напра- вляется к загружаемой камере коксового блока, которая должна быть к этому моменту полностью подготовлена' к загрузке, и устанавли- вается над камерой с таким расчетом, чтобы отверстия загрузочных люков 'камеры и нижние отверстия бункеров вагона точно приходи- лись друг против друга. После этого машинист загрузочного вагона опускает нижние телескопы бункеров на рамы загрузочных люков и, открыв затворы, начинает выпуск шихты. Устройство телескопов по- зволяет значительно уменьшить количество выбивающихся из люков газа и пламени и тем самым облегчает операцию загрузки. В этом отношении представляют преимущество загрузочные вагоны, имеющие или раздельное управление нижними телескопами и шиберами, или обеспечивающие быстрое опускание телескопов еще до полного откры- тия затворов. Если телескопы опускаются только после того, как полностью открыты затворы, высыпавшаяся шихта препятствует плот- ному прилеганию телескопов’ к раме загрузочных люков, что приводит к выбиванию газа и пламени из печи, горению рассыпавшейся шихты и авариям вагона. В случае задержки шихты в бункерах применяется шурование вручную или мешалкой. При загрузке печи должна соблюдаться определенная последова- тельность в опорожнении отдельных бункеров вагона. Загрузка печи с тремя загрузочными люками может производиться в следующей последовательности: 1. Сначала производится разгрузка среднего бункера, потом край- них, или 2. Сначала производится разгрузка крайних бункеров, потом среднего. 127-
В первом случае после заполнения средней части приступают к загрузке крайних бункеров и шихта оттесняется к краям камеры, за- полняя ее у дверей более полно. При этом полная разгрузка крайних бункеров оказывается затрудненной вследствие подпора шихты, за- груженной через средний люк печи. Во втором случае заполняются сначала крайние части камеры. Конусы, образованные шихтой, загруженной через крайние люки, создают подпор шихте, выгружаемой из среднего бункера, что затруд- няет его полную разгрузку. Путем регулирования скорости и последовательности разгрузки бункеров вагона стремятся добиться наиболее желательного распре- деления шихты по длине камеры печи. Планирование. Шихту не удается выгрузить из загрузочного вагона полностью, так как она, особенно в случае большой влажности, обра- зует в камере коксовой печи конус со значительным углом естествен- ного откоса. В силу этого создается положение, при котором1 сход шихты из загрузочного вагона прекращается, несмотря на далеко не полную загрузку печи. Даже в случае полной разгрузки вагона рас- пределение шихты по печи неравномерно: у загрузочных люков обра- зуются бугры, препятствующие проходу выделяющихся из угля газов. Поэтому для обеспечения равномерного распределения загруженной шихты применяют операцию планирования шихты. При загрузке печи коксовыталкиватель должен быть наготове с таким расчетом, чтобы начать планирование немедленно после прекращения схода шихты. Сигнал к началу планирования дается машинистом загрузочного ва- гона. Запоздание планирования ведет к простоям загрузочного вагона над печыо, нарушению графика работы и излишним потерям газа. Перегрев вагона может привести к деформации нижних/ частей его бункеров и порче мотора, если он расположен на нижней раме вагона. Задержка загрузочного вагона с открытыми загрузочными лю- ками не должна превышать 2—3 мин. Планир через планирный люк может вводиться в камеру коксова- ния на различную глубину и передвигаться там взад-вперед, разравни- вая .при этом шихту по длине камеры. После поднятия дверки планирного люка штанга планира медленно вдвигается в печь, причем одновременно опускается желоб для сбора шихты, выносимой из печи планиром. Дальнейшая работа по планиро- ванию может производиться различно, в зависимости от качества шихты, порядка разгрузки вагона, наличия одного или двух барилье- тов на печах и т. д. При сухой шихте, хорошей загрузке и малом сопротивлении, ока- зываемом ходу планира, планирование может осуществляться сразу на полную длину печи и 2—3 ходов оказывается достаточно для обес- печения равномерного распределения шихты. При влажной шихте применяют иной порядок планирования: 2—3 хода на первой трети печи, несколько ходов на второй трети и, наконец, 2—3 хода на по- следней трети, после чего планир удаляется из печи. Применяя ту или иную последовательность операций планирования, можно добиться полного и ровного заполнения печи. В тех случаях, когда имеется барильет на коксовой стороне, планирование следует производить осо- бенно осторожно, чтобы не забить шихтой входные отверстия стояков с коксовой стороны. При выводе штанги из печи одновременно поднимается желоб для выгребаемой шихты, и после этого закрывается дверца планирного люка. Перед окончанием планирования рабочие, обслуживающие верх пе- чей (люковые), сгребают в загрузочные люки просыпавшуюся шихту, 128
производят зачистку люков, закрывают их и заливают щель между -крышкой и рамой люка раствором глины. Переключением клапана стояка после всех этих операций печь включают в барильет. На этом операции по загрузке печи заканчи- ваются. За последнее время широко внедрилаЬь бездымная загрузка путем устройства искусственного отсоса выделяемых при загрузке печи га- зов, с отводом их в барильет. Осуществляется это паровым эжекто- ром, создающим разрежение в стояке и камере печи. Применение без- дымной загрузки значительно улучшает условия труда на верхней пло- щадке коксовых печей. На некоторых установках внедряется в СССР тележка для бездымной загрузки со специальным' коленом, соединяю- щим загружаемую печь с соседней для отвода в последнюю выделяю- щихся при загрузке газов. Выдача коксового пирога Подготовка печи к выдаче. Коксовые печи должны работать на определенном «марше», соответствующем принятому периоду коксова- ния, т. е. через определенное число часов загруженная печь должйа быть готова к «выдаче». К тому времени, когда коксование должно •быть закончено, производится проверка готовности печи. Для этого перекрывается клапан в стояке коксовой печи и припо- дымается крышка или открывается пробка стояка. Этим самым печь отключается от барильета и соединяется с атмосферой. Из стояка не должно показываться дыма и пламени. Появление дыма указывает на то, что печь еще не готова к выдаче, что коксо- вый «пирог» еще не «поспел». В этом случае стояк перекрывается обратно и проба через некоторое время повторяется. Появление пламени при открывании стояка может объясняться не только неготовностью печи к выдаче, но также неплотностью клапана и связанным с этим просачиванием газа из барильета. Однако опыт- ный глаз по характеру пламени может почти безошибочно определить его происхождение: газ, выделяющийся из печи, коксование в кото- рой подходит к концу, богат водородом и дает почти бесцветное пламя, заметно отличающееся) от светящегося пламени, которое ха- рактерно для газа из барильета. После того как проба на стояке укажет на готовность печи к вы- даче, приоткрывают крайний с коксовой стороны загрузочный люк и через него производят осмотр пирога. Между коксовым пирогом и кладкой камеры должна выделяться светлая щель, указывающая на то, что пирог отошел от стенки и что коксование его закончено. После этого можно приступать к выдаче. Нужно помнить, что по- пытки выдачи недококсованной печи приводят к почти неизбежному заклиниванию коксового пирога в печи, к «бурению». Бурение затруд- няет выдачу коксового пирога. Правила технической эксплоатации запрещают повторное толкание забуренных печей. При повторных по- пытках выдачи забуренной печи можно легко повредить как кладку печи, так и пути коксовыталкивателя, а также вывести из строя мо- тор штанги. Перед выдачей кокса из печи, в соответствии с заводскими ин- струкциями, производится чистка стояков. Отложения на внутренней поверхности футеровки стояков приводят к постепенному уменьшению свободного сечения стояка, в результате чего затрудняется выход газа и в камере печи развивается чрезмерное давление. Очистка производится опусканием в стояки специальных грузов со скребками. Устройство для поднимания и опускания груза монтируется 9 Зак. 3610. Общая химии, технология топлива. 129
обычно на загрузочном вагоне и обслуживается с его рабочей пло- щадки. Сбитые со стояков отложения падают на кокс и при выдаче- пирога поступают в тушильный вагой. Отделение их от кокса происхо- дит на коксосортировке. Выдача кокса. Непосредственно перед выдачей кокса из печи, две- реэкстрактором' производится 'съем дверей и машина передвигается та- ким образом, чтобы направляющее устройство, имеющее целью пред- отвратить рассыпание раскаленного кокса на обслуживающей пло- щадке, приходилось точно против печной рамы. После этого напра- вляющее устройство вплотную придвигается к дверной раме. Операции по съему дверей совершенно аналогичны тем, которые выполняются двересъемным устройством коксовыталкивателя. К мо- менту, когда двереэкстрактор заканчивает цикл подготовительных к выдаче печи операций, тушильный вагон успевает произвести туше- ние предыдущего коксового пирога, его выгрузку на рампу и занимает исходное положение у очередной выдаваемой печи для приема новой выдачи., В то же время коксовыталкиватель заканчивает все операции по планированию загруженной печи, снимает дверь печи, подлежащей выдаче, и занимает исходное для выдачи печи положение. Двери коксовых печей плотно прижимаются к дверным рамам по- мощью нажимных болтов-ригелей. Первой подготовительной операцией по съему дверей является ослабление ригелей вручную. После подхода коксовыталкивателя к очередной выдаваемой печи: к двери печи подводится двересъемное устройство коксовыталкивателя. Крюки двересъемного устройства заводятся в: карманы двери и вращением! ручного штурвала, соединенного зубчатой передачей с дви- жущимся винтом, приподнимаются вверх, захватывая и приподнимая при этом дверь. Ручной штурвал вращается доотказа и после того, как вращение начинает встречать сопротивление, проворачивается при- мерно еще на один оборот. Это необходимо для того, чтобы дверь была несколько приподнята и отошла при отводе двересъемного уст- ройства от печи ровно, без толчков и ударов. Если штурвал не будет достаточно повернут и дверь не подымется с порога печи, то при ее отводе неминуемы рывки, так как дверь отойдет от печи не сразу по всему периметру. Обычно в таком случае отрывается верхняя часть двери, и затем дверь при толчке повисает на крюках двересъемного устройства. Это вызывает дополнительные напряжения в механизмах и вредно отражается как на состоянии уплотнения дверей, так и на сохранности дверей и дверных рам. После того как дверь приподнята на захватах, двересъемное уст- ройство отводится от печи и коксовыталкиватель передвигается на- столько, чтобы ось его штанги совпала с осью камеры выдаваемой печи. Закончив операции по съему двери и заняв исходное положение для выдачи, машинист коксовыталкивателя ожидает сигнала с коксо- вой стороны о готовности всех механизмов к приемке коксового пи- рога. После сигнала начинается выдача. Машинист нажимает прессом штанги коксовыталкивателя на коксовый пирог и выдвигает^ его из печи через направляющее устройство двереэкстрактора в тушильный вагон. В начале выдачи, когда коксовыталкивателю приходится пре- одолевать начальное сопротивление пирога, мотор коксовыталкивателя развивает максимальную мощность. Во избежание перегрузки мотора, а также чрезмерного давления на пирог штанга коксовыталкивателя должна подаваться вперед медленно и осторожно. Если не удается сдвинуть пирог с одного приема, выдача печи дол- жна быть прекращена и печь оставлена для доспевания. Ни в коем случае недопустимо пытаться «выбить» пирог ударами штанги. В том 130
случае, когда коксовый пирог заклинится или, как говорят, «забу- рится» во время выдачи, начавшейся нормально, также недопустимо выбивать его повторными ударами штанги. При ударах, штанга коксовыталкивателя и сам коксовыталкиватель подвергаются усилиям, вредно отражающимся на сохранности машины и рельсовых путей коксовыталкивателя.! Кроме того, значительные усилия, развивающиеся при повторных попытках выдачи пирога или при ударах штанги по пирогу, вызывают постепенную деформацию кладки печи, что может привести к полному выходу последней из строя. Одновременно с началом выдачи пирога тушильный вагон приво- дится в медленное движение вперед, вдоль фронта печей. Обычно длина тушильного вагона близка к длине коксовой камеры и поэтому для обеспечения равномерного распределения выдаваемого кокса по вагону последний должен двигаться примерно с! той же скоростью, с которой выдается пирог из печи, т. е. со скоростью порядка 0,5 м. в секунду. После выдачи пирога тушильный вагон направляется к тушильной башне, а штанга коксовыталкивателя выдвигается нз печи обратно. Время выдачи пирога используется для осмотра и чистки дверей как с коксовой, так и машинной стороны. Современные конструкции самоуплотняющихся дверей требуют тщательного ухода. Двери дол- жны осматриваться и очищаться при каждой очередной выдаче печи. При Дверях с уплотнением! асбестовым шнуром необходимо, тщатель- ное наблюдение за сохранностью шнура. При уплотнении «железо по железу» в тщательном уходе нуждаются уплотняющие ножи. Графиком работы коксовыталкивателя должно быть также пред- усмотрено время для очистки пода печи и дверной рамы, так как недостаточная очистка пода печей неизбежно приводит к его ошлакова- нию, что вызывает затруднения при последующих выдачах, и к порче пода. Удаленные при очистке пода и дверей кокс и мусор собираются в специальные тачки и отвозятся на коксовую сторону батареи. Там тачка выгружается в тушильный вагон, обычно в то время, когда он с потушенным коксом направляется к рампе для выгрузки. После того как штанга коксовыталкивателя выдвинута из печи, пооизве'дена зачистка пода, дверей и дверной рамы, дверь подводится к печи и заводится в раму. Обратным вращением! штурвала произво- дится посадка двери на место. После закрепления двери ригелями и отвода двересъемного устройства коксовыталкиватель готов к обслу- живанию следующей печи и цикл его операций начинается вновь с от- крывания планирной дверцы и т. д. Тушение и сортировка кокса Мокрое тушение. Тушильный вагон после выдачи кокса с макси- мальной скоростью направляется к тушильной башне. Продолжительное пребывание в тушильном вагоне непогашенного кокса ведет кроме лишнего угара кокса к перегреву и порче вагона. Одновременно с въездом тушильного вагона в камеру тушильной башни производится включение орошения и начинается тушение кокса. При напряженном графике работы орошение включают несколько ранее, так что вагон входит под уже работающее оросительное устройство. • Время пребывания вагона в камере тушильной башни должно со- ставлять 60—90 сек., из которых 40—60 сек. идет на собственно тушение кокса и 20—30 сек. на сток воды. 9* 131
По окончании стока воды тушильный вагон направляется к рампе для разгрузки. После этого вагон готов к новому циклу операций, на- чинающихся с подъезда вагона к очередной выдаваемой печи. Сухое тушение. При сухом тушении, раскаленный кокс выгружают из тушильного вагона в спускное отверстие камеры сухого тушения (при подземных камерах). В камере, имеющей форму бункера, кокс тушится инертным газом. Через нижнее выпускное отверстие потушен- ный кокс выгружается и направляется либо на коксосортировку, либо на специальную рампу. За счет тепла нагрева инертных газов выра- батывается пар в парокотельной, соединенной с камерами тушения. При тушении 1 т кокса получается примерно 350—400 кг пара. Сухое тушение широко не привилось ввиду сложности сооружений, значи- тельных начальных капитальных затрат, большого износа камер и некоторых неудобств эксплоатации (возможности отравления СО при неплотности затворов). Качество кокса при сухом • тушении несколько лучше. Сортировка кокса. Основным при сортировке кокса является на- блюдение за исправностью грохотов гризли и Армса, чтобы избегнуть потерь крупного кокса.и предотвратить нечеткость разделения про- дукта на сорта. Диски грохота гризли быстро срабатываются и зазоры между ними увеличиваются, что влечет за собой провал крупного кокса в подгризлевый продукт. Контроль над зазорами (отверстиями) между дисками, смена дисков немедленно после превышения отверстий более чем на 10 мм нормаль- ного расстояния (25 мм) являются основным правилом при обслужи- вании коксосортировок. Необходимо следить также за исправностью сит на грохоте Армса. Вторым требованием нормальной эксплоатации коксосортировок является предотвращение чрезмерного дробления кокса, способного увеличить количество коксовой мелочи, в особенности при передвиже- нии кокса по промежуточным транспортерам и в бункерах, а также при его погрузке в вагоны. Дополнительное дробление кокса в бункере дает, например, излиш- нее образование мелочи на 1—1,5%. Для увеличения срока службы валков грохота гризли они вырабатываются из чугунов специальных марок. График работы машин, обслуживающих коксовый блок Машины, обслуживающие коксовый блок, работают по определен- ному графику в полной согласованности друг с другом. Даже сравни- тельно незначительная задержка в работе любой из обслуживающих машин может привести к нарушению графика выдачи, а выравнять нарушенный график очень трудно. Поэтому машины коксового цеха должны всегда находиться в образцовом порядке. Только при этом условии мож|ет быть выдержан четкий график работы всего коксового блока. Основные требования при построении графика следующие: 1. При выдаче какой-либо печи соседние печи должны быть за- пружены. 2. Разница в степени готовности между двумя смежными с выда- ваемой печами должна быть минимальной. 3. Смежные с выдаваемой печи должны быть примерно на сере- дине периода коксования. 4. Свежие загрузки должны быть возможно) равномерно распре- делены по всему печному массиву. 132
Выполнение последнего требования преследует цель не допустить местных охлаждений массива кладки и связанных с этим вредных на- пряжений. Построение графика выдачи основано на том, что все печи коксо- вого блока разбиваются на ряд серий. Выдача печей производится последовательно по сериям. Печи но- вой серии выдаются после того, как закончена выдача предыдущей серии. Имеется значительное количество графиков выдачи. На старых ша- мотных печах наиболее часто применяется график выдачи через 3 печи, на новых динасовых через 5, 9 и 10 печей. Увеличение интервала между выдаваемыми печами, способствуя равномерному распределению загрузок по всему массиву печей, при- водит в то же время к увеличению времени, необходимого для пере- ездов коксовых машин от печи к печи, и особенно времени, необхо- димого для передвижения вдоль всей батареи в конце выдачи каждой очередной серии печей. Основным правилом нормальной эксплоатации коксовых печей является строгое соблюдение серийности выдач по принятому графику. Отопление коксовых печей Во всех современных конструкциях коксовых печей используют регенеративный принцип обогрева, что позволяет в значительной сте- пени снизить расход тепла и получить достаточно высокие темпера- туры в обогревательных каналах. Несомненным недостатком регене- ративного принципа обогрева является необходимость регулярного переключения потоков воздуха, газа и продуктов горения, так как это связано с устройством специальных переключательных приспособлений и установкой усложненной отопительной арматуры. Однако, эксплоа- тация современных механизмов регенеративных печей не вызывает каких-либо затруднений. В большинстве случаев печи приспособлены для обогрева как «бога- тым», т. е. коксовым, так и «бедным» — доменным или генераторным газом. Отопительная арматура Магистральные трубопроводы богатого и бедного газа вводятся в кантовочное помещение, расположенное в конце батареи в нижней части печного блока. Здесь они разветвляются и ветви отопительных газопроводов идут вдоль батареи с коксовой и машинной стороны. Отопительные газопроводы расположены в так называемых туннелях (обслуживающие коридоры вдоль батареи). В некоторых! случаях, когда подовые каналы регенераторов не имеют поперечной стенки и обслуживание обогрева может вестись с одной стороны блока, ограни- чиваются устройством одного туннеля. В некоторых типах печей вся печь устанавливается на железобетонных колоннах; в этом случае из пространства под печами производится регулировка отопления. Наружная стенка туннеля выкладывается в полкирпича в виде решетки. Это улучшает охлаждение и вентиляцию туннеля, что облег- чает работу обслуживающего персонала. Проблема хорошей вентиля- ции туннелей приобрела особую остроту в последние годы в связи с переводом печей на отопление доменным газом, содержащим боль- шое количество окиси углерода. На рис. 61 показано расположение отопительной и газоподводящей арматуры в печах системы Беккера. Газопровод коксового газа 1 про- 133
тив каждого отопительного простенка имеет ответвление, на котором расположены: кантовочный, реверсивный кран 2 с рычагом 3, стопор- ный кран 4, гибкий шланг 5 и так называемая газовая пушка 6, кото- рой и заканчивается корнюр. Обслуживание арматуры производится с площадки. Стопорный кран представляет собой ручной кран, служащий для выключения подачи газа и иногда для регулировки. Кантовочный кран тоже служит для выключения подачи газа и иногда для регулировки. Рис. 61. Арматура отопления богатым газом на печах Беккера: /—газопровод коксового газа; 2—кантовочный кран; рычаг кантовочного крана* 4—стопорный кран; 5—гибкий шланг; 6—газовая пушка. * Кантовочный кран рычагом соединен с тягой от кантовочной ле- бедки. Газовая пушка снабжена крышкой, соединенной рычагом с тягой декарбонизатора. Посредством декарбонизатора производится открытие крышек на газовых пушках во всех корнюрах, не находя- щихся под газом, для выжигания в корнюрах графита. В ниж)ней части туннеля расположены чугунные колена с клапа- нами — вольверы, служащие для подачи доменного газа и воздуха и отвода продуктов горения. На печах системы компаунд установлены 134
вольверы двух видов: газовоздушные вольверы для подачи газа или воздуха и отвода продуктов горения (рис. 62) и воздушные вольверы для подачи воздуха и отвода продуктов горения. Как видно из схемы работы клапана вольвера (рис. 63), при поднятом клапане 1 доменный газ поступает в регенератор; в это время клапан 2 опущен и закры- вает отверстие в боров. При отводе продуктов горения клапан 1 опу- щен, а клапан 2 поднят, так что продукты горения свободно могут проходить в боров. Для регулировки тяги в вольвере имеется специаль- ная задвижка. При работе на коксовом газе клапан 1 закрывается и отключается от кантовочного устройства, а крышка для воздуха переключается к соответствующему тросу. Управление работой клапана доменного газа, клапана для продук- Рис. 62. Вольверы для подачи доменного газа и отвода продуктов горе- ния в печах Беккера; 1—клапан бедного газа; 2—клапан продуктов горения; 3— крышка для воздуха; 4 — ре- гулировочный шибер для продуктов горения; 5 — регулировочный вентиль бедного газа. тов горения и воздушной крышкой производится от тросов кантовоч- ной лебедки. При отоплении богатым газом газ подводится к корнюрам и отсюда распределяется по горелкам. Воздух засасывается через воздушные крышки вольверов в регенераторы печей, проходит насадку регенера- торов и нагретый поступает по расположенным в кладке печи спе- циальным «косым» ходам к горелкам отопительных, вертикалов. При обогреве бедным газом газ подводится к газовым' регенераторам, про- ходит регенератор и по соответствующим косым ходам поступает в вертикалы, где, смешиваясь с воздухом на воздушных регенерато- рах, сгорает. 135
Продукты горения из вертикалов опускаются в регенераторы, про- ходя при этом по тем же ходам, по которым перед кантовкой посту- пали бедный газ и воздух для горения. Из регенераторов продукты, горения клапанами отводятся в борова и затем через дымовую трубу в атмосферу. Устройство отопительной системы позволяет одновременно вести часть печей на богатом и часть на бедном газе. При этом переключе- ние каждой печи с одного газа на другой осуществляется в течение нескольких минут. Кантовочная лебедка. Периодическое переключение воздушных, га- зовых и дымовых или тяговых клапанов или' так называемая кан- товка производится кантовочной лебедкой через равные промежутки времени, обычно через 15—30 мин., и продолжается нормально 25— 35 сек. При этом перекрывание клапанов происходит в определенной последовательности и с со- Рис. 63. Схема работы газового клапана: Газовый клапан 1 открыт; газовый клапан / закрыт (справа). блюдением необходимых интервалов. Одновременно перекантовываются -печи, идущие на бедном и на бо- гатом газе. Лебедка работает от электромотора и включается автоматически или нажа- тием соответствующей кноп- ки. На случай возможных перебоев в подаче электри- ческого тока лебедка снаб- жена ручным приводом. В помещении кантовоч- ной лебедки устанавливает- ся также декарбонизанион- ная лебедка (декарбони- затор) . За 2 мин. до начала ра- боты кантовочной лебедки с помощью декарбонизато- ра опускают крыши корню- ров, отключая корнюры от сообщения с наружным воз- духом. Эта операция произ- водится в течение 2—4 сек. Если крышки корнюров не будут закрыты к моменту включения кантовочной лебедки, то в корнюры поступит отопительный газ вместе с холодным воздухом и в результате образования взрывча- той смеси появляются хлопки. При своевременно закрытой крышке, воздух в корнюре успеет на- греться и газ загорится без образования взрывчатой смеси. В случае работы на. бедном газе соответствующие корнюры отключаются от декарбонизатора, для чего достаточно произвести отключение корнюр- ных крышек от троса декарбонизационной лебедки. При работе на богатом газе первой операцией после включения кантовочной лебедки является перекрытие кранов коксового газа на корнюрах, работающих на горении. Корнюрные краны нисходящего потока остаются закрытыми. Таким образом, доступ газа во все кор- нюры батареи прекращается. После этого начинается переключение воздушных и тяговых клапанов. Во втором цикле операций все кор- 136
нюрные краны остаются закрытыми, так что доступ газа к обогрева- тельным простенкам прекращен полностью. В то же время лебедка: продолжает перекрытие воздушных клапанов, причем начинают откры- ваться клапаны, служащие для отвода продуктов горения, и продол- жают постепенно закрываться воздушные клапаны, работавшие на восходящем потоке, с тем чтобы полностью закрыться к началу третьего цикла. На нисходящей (до кантовки) стороне начинается от- крывание клапанов для воздуха. Одновременно происходит постепен- ное закрывание клапанов, через которые отводились продукты горе- ния. Этот цикл операций наиболее продолжителен. Так, на печах Бек- кера он составляет примерно 20 сек., на печах Копперса — 30 сек. После переключения воздушных и тяговых клапанов приводится в движение трос, открывающий корнюрные краны коксового газа вер- тикалов, ранее работавших на нисходящем потоке. Корнюрные краны, работавшие ранее на горении, остаются закрытыми. Третий цикл операций совершенно симметричен с первым циклом; его продолжительность, как и продолжительность первого цикла, со- ставляет 3—4 сек. (печи Беккера). Через 2 мин. по окончании работы кантовочной лебедки декарбо- низатор открывает крышки корнюров нисходящей (после перекантовки} стороны. Перевод отопления печей с богатого на бедный газ. При переводе отопления печей на бедный газ преж(де всего следует убедиться в пол- ной исправности газопроводов бедного газа и плотности всех кранов, и клапанов, соединяющих газопровод с регенераторами. После этого газопровод, с точным соблюдением всех правил специальной инструк- ции, продувается бедным газом в выхлопные свечи. Затем' в промежу- ток времени между двумя кантовками на группе печей, подлежащих переводу, предварительно проверяют горение коксового газа и закры- вают стопорные краны под закрытыми кантовочными кранами, а да- лее переключают соответствующие газовоздушные клапаны регенера- торов нисходящего потока на бедный газ. При этом воздушные крышки отключаются от троса кантовочной лебедки и наглухо закры- ваются. После очередной кантовки закрывают стопорные краны под кантовочными кранами коксового газа остальных корнюров, поступая во всем согласно предыдущему. Следует обращать особое внимание на то, что бедный газ при кан- товке должен входить в регенератор, заполненный продуктами горе- ния. Поступление бедного газа в регенераторы, заполненные возду- хом, может повести к образованию взрывчатой смеси воздуха и бед- ного газа. Перевод печей с отопления одним газом на другой должен произ- водиться постепенно — группа за группой; нужно внимательно следить за давлением в газопроводе, не допуская разких повышений и пони- жений давления. Устройства для контроля и регулирования иагрева. Равномерность обогрева стен коксовой камеры достигается правильной расстановкой в отопительной системе! коксовых печей регулирующих и контроли- рующих устройств, а также постоянным наблюдением за работой обо- гревательных простенков и за распределением температур по печному блоку. . Регулирующие устройства можно грубо разделить на устройства, предназначенные для работы всей батареи в целом, и на устрой- ства, обеспечивающие равномерный обогрев каждого обогревательного простенка. 137
Основные устройства и мероприятия, с помощью которых решается задача обогрева коксовой батареи, имеют целью: 1) установление ре- жима тяги; 2) подвод и распределение газа и 3) подвод и распределе- ние воздуха. Пренебрежение любым из этих факторов может привести к лиш- нему расходу тепла на обогрев и к расстройству обогрева. Регулировка подвода газа на всю батарею коксовых печей дости- гается путем большего или меньшего закрывания задвижек, устано- вленных на ветвях газопровода. В распределительном газопроводе устанавливается определенное давление отопительного газа, которое в дальнейшем' необходимо только поддерживать на определенном уровне в соответствии с установленным режимом. В большинстве слу- чаев для этой цели применяются автоматические регуляторы да- вления. Отопительный газ должен подвергаться систематической проверке на удельный вес и теплотворную способность. В случае изменения теп- лотворной способности газа следует изменять давление в соответствии с изменением расхода газа. Ответвления распределительного газопровода к печам снабжены кроме реверсивных кранов, которые перекрываются при помощи кан- товочной лебедки, также и ручными стопорными кранами. Для регули- ровки количества газа, подаваемого в корнюр, в ответвлениях уста- навливаются калиброванные диафрагмы. Установка диафрагм значи- тельно упрощает регулировку подачи газа к каждому отопительному простенку при переходе от одного режима обогрева к другому. Для надлежащего распределения подведенного к простенку газа по отдельным вертикалам в различных системах печей применяются различные устройства. Термин «надлежащее» распределение, а не «равномерное» употреблен не случайно. Даже в печах Беккера, где работает на одном потоке целый простенок, распределение газа нельзя назвать равномерным. Основные причины этих отступлений — конус- ность камеры коксования, расширяющейся по направлению от машин- ной к коксовой стороне, и повышенные тепловые потери у концов или «головок» печи. Для обеспечения необходимого распределения газа по вертикалам простенка применяются калиброванные горелки или «дюзы» и 'регистры, передвижением которых можно изменять тягу в каждом вертикале в отдельности. Наиболее разнообразны методы достижения равномерного обогрева по высоте камеры. Так, в печах Копперса применен принцип кругового потока. В пе- чах Отто применяется ступенчатая установка горелок. Штиль в своих высоких 6-м печах применил подвод воздуха на нескольких уровнях (ступенчатый обогрев). Равномерный обогрев по высоте достигается равномерным распре- делением тепла по высоте вертикала, и с этой целью следует по воз- можности вытянуть в длину факел горения. В большинстве конструкций воздух, необходимый для сжигания отопительного газа, подается непосредственно из туннеля через газо- воздушные клапаны в регенераторы и оттуда по соответствующим хо- дам подводится к горелкам. Для обеспечения правильной подачи воздуха к отопительному простенку отверстия воздушных клапанов прикрываются регулирую- щими планками в соответствии с установленной тягой, регулируемой тяговыми заслонками. Правильное соотношение количеств воздуха и газа, подводимых к каждой горелке, . позволяет снизить расход тепла на коксование и поднять тем самым коэфициеит полезного действия печей. 138
Режим работы коксовых печей Тепловой режим Соблюдение графика работы и достижение максимальной произво- дительности коксового блока возможно только при одинаковом периоде коксования всех печей батареи, что достигается равномерностью обо- грева отопительных простенков. Задержка в выдаче готовых печей приводит к пережогу кокса и уменьшению выхода металлургического кокса за счет увеличенного образования мелочи. Выдача неготовых (сырых) печей резко снижает качество металлур- гического кокса и, кроме того, она сопряжена со значительными за- труднениями ввиду тяжелого хода печей и возможности бурения. Для достижения одинакового периода коксования и равномерного обогревания необходимы тщательное и систематическое наблюдение за тепловым режимом установки и его регулировка. Изменение режима работы батареи является ответственным делом, требующим большой осторожности и опыта. Предварительная регулировка коксовых печей производится во время пуска в эксплоатацию коксовой батареи и продолжается до пол- ного перевода печей на заданный марш. Основными моментами регу- лировки являются обеспечение надлежащего распределения газа, воз- духа и тяги по сторонам батареи и по простенкам каждой печи в от- дельности, точное установление температурного режима в отопитель- ной системе, давления в коксовой камере и пр. В дальнейшем прихо- дится лишь следить за сохранением и выполнением установленного ре- жима и выправлять замеченные нарушения. Постоянное движение по верху печей загрузочного вагона может привести к смещению регистров в отопительных вертикалах простенка и нарушению теплового режима. Широко развернувшееся на коксохимических заводах Советского Союза стахановское движение позволило осуществить переход печей на высокие марши, с периодом коксования порядка 13—14 час. Сокращение периода коксования достигается за счет более горя- чего хода печей, т. е. более высоких температур в обогревательных простенках. Здесь в обогревательной системе динасовых печей допу- скается температура до 1450°, и поэтому тщательный контроль темпе- ратур приобретает особенно важное значение, так как возникает опас- ность сплавления кирпичей и деформации кладки при небрежном об- служивании. Регулярный замер температур должен производиться на всех наи- более важных участках коксовой печи и в первую очередь в вертика- лах обогревательного простенка, а также в верхней части регенера- торов. Кроме замера температур большое значение имеет непосредствен- ный осмотр кладки и наблюдение за характером пламени. В ряде слу- чаев вид пламени, степень накала кладки, равномерность или нерав- номерность накала стенок камеры коксования могут дать непосред- ственные указания о причинах ненормальности и о мерах, необходи- мых для ее ликвидации. Появление темных вертикальных полос на стенке камеры коксова- ния указывает на ненормальную работу соответствующих вертикалов. Наблюдение за горением в вертикале может дать указания о причине его плохой работы. Слишком, короткое и острое пламя указывает на избыточное количество воздуха, следствием чего являются перегрев нижней части вертикала и недостаточный нагрев верха. Напротив, не- 139
нормально вытянутое коптящее пламя указывает на недостаток воз- духа и неполноту горения. После того как установлен характер ненормальной работы, прини- маются соответствующие меры в зависимости от причин, вызвавших расстройство. Ликвидация неполадок может быть связана с большими или меньшими затруднениями. Можно указать на неправильную уста- новку регистров, на неправильный подбор горелок, на оплавление и засорение горелки, на неправильную регулировку подвода воздуха, на закупорку и деформацию подводящих воздушных и газовых каналов,, неплотности в кладке и т. д. Основные факторы горения—тяга, подвод воздуха и подвод газа — находятся в тесной связи, поэтому регулировка должна правильно учи- тывать соотношение этих факторов. Режим работы коксовых печей оказывает решающее влияние на; качество и количество получаемых химических продуктов (в частности смолы, фенола, сырого бензола, толуола и т. п.). Задача поддержива- ния правильного обогрева печи оказывается, таким образом, тесно свя- занной с задачами по достижению оптимальных выходов летучих про- дуктов коксования. В частности, необходимо учитывать нежелатель- ность перегрева верхней части коксовой камеры, поскольку такой пере- грев ведет к снижению выходов и ухудшению качества летучих про- дуктов коксования. Для соблюдения нормального режима обогрева необходимо выпол- нение следующих основных условий: 1. Температура верхней части стен камеры по высоте коксового пи- рога не должна быть ниже чем на 60—70° температуры нижней ее части. Некоторое отставание (20—30°) желательно, так как при этом улучшается качество летучих продуктов коксования и уменьшается за- графичивание сводов печей. 2. Температуры в вертикалах должны соответствовать заданному маршу печей, причем они должны понижаться от коксовой более ши- рокой стороны к машинной таким образом, чтобы между соседними вертикалами разность температур составляла 3—4°, тогда как общее падение температуры от третьего вертикала коксовой стороны до третьего вертикала машинной стороны должно составлять 60—70°. 3. Ни в одном из вертикалов не должно быть коптящего или рез- кого короткого пламени. При нормальном горении коксового газа в вертикалах наблюдается вытянутое желтоватое пламя. В продуктах горения, взятых из вертикала, не должно быть окиси углерода, а ко- личество кислорода не должно превышать 1,5—2,0%. Наличие в про- дуктах горения окиси углерода указывает на неполноту горения. Дого- рание газа в регенераторах может привести к их перегреву и оплавле- нию насадки регенераторов, а также к перегреву боровов. 4. Средняя температура верха насадки регенератора должна быть ниже средней температуры вертикалов на 100—120°. Гидравлический режим Гидравлический режим установки находится в непосредственной связи с тепловым режимом. На отопление печей оказывает значительное влияние соотношение давлений в камере коксования и в обогревательном простенке. Даже при тщательной кладке коксовых печей с применением шпунтованного фасонного кирпича неплотности неизбежны, а потому возможно проса- чивание как коксового газа из камер печей в отопительную систему, так и продуктов горения и воздуха в камеру. Продукты коксования, просачивающиеся из камер в нисходящий поток, сгорают в регенера- 140
торах; это может быть обнаружено по ненормально высокой темпера- туре продуктов горения на выходе из регенераторов и по их анализу. Через трещины и неплотности кладки стенок регенераторов возмо- жен пропуск газов из регенераторов восходящей стороны в регенера- торы, находящиеся под тягой. Такой пропуск вызывает значительные потери -нагретого воздуха, в случае работы на богатом газе, и потери воздуха и отопительного газа при работе на бедном газе. В результате нарушается правильное горение в отопительных простенках и беспо- лезно перегружается дымовая труба. Не говоря уже о понижении про- изводительности печей и потере тепла, неполадки в отопительной си- стеме могут приводить к местным перегревам, прогарам и оплавлениям кладки. Поскольку не удается добиться полной герметизации кладки, «следует стремиться к соблюдению минимальных перепадов давления между рядом расположенными элементами топочной системы и между камерой коксования и отопительной системой- Нормально давление в подсводовом пространстве камер коксования составляет 2—3 мм, причем это давление к концу коксования, когда выделение из шихты газов почти прекращается, поддерживается исклю- чительно противодавлением барильета. В последнем случае вследствие гидростатической разности давлений давление у пода камеры будет примерно минус 1 мм (т. е. разрежение около 1 мм). Если в это время в косом ходе на восходящем потоке будет более высокое давление, хотя бы на 1 мм превышающее давление в камере, то при неудачном расположении швов кладки горячий воздух из косого хода может через неплотности швов войти в камеру. В результате интенсивного сжигания раскаленного кокса около неисправного шва разовьется чрез- мерно высокая температура и постепенно вследствие перегрева и образования шлаков в поду печи неминуемо образуется прогар. Для борьбы с подобными явлениями необходимо поддерживать в камере коксования несколько более высокое давление, по сравнению с соот- ветствующими участками отопительной системы. При таком режиме в случае появления неплотностей дело свелось бы к некоторому проса- чиванию летучих продуктов коксования из камеры в? отопительную систему. Вследствие разложения летучих продуктов, просачивающихся через раскаленную кладку, произойдет постепенное заграфичивание не- плотностей, в результате чего спустя некоторое время будет обес- печена достаточная герметичность- Следовательно, давление в камере коксования всегда должно быть несколько больше давления в соответствующих участках восходящей ветви отопительной системы. Нормально регенераторы на восходящем потоке должны также работать на небольшом разрежении. Следует отметить, что указанный режим сохраняет герметичность стен и пода камеры и предохраняет от появления прогаров. Однако при наличии образовавшихся вследствие предыдущей неправильной работы щелей и прогаров последние прежде всего должны быть заде- ланы, и только после этого должно быть приступлено к планомерному и постепенному установлению указанного гидравлического режима. Работа по контролю режима обогрева и давлений облегчается на- личием на современной коксовой установке ряда автоматических контролирующих и регистрирующих аппаратов. Как правило, автома- тические приборы устанавливаются для поддержания постоянной тяги дымовой трубы, постоянного давления в барильете и определенного давления отопительного газа. Наряду с этим устанавливаются само- пишущие и указывающие приборы, регистрирующие температуру и давление в различных участках. Однако установленная автоматическая 141
аппаратура ни в коем случае не может рассматриваться как замена обслуживающего персонала. Высокая квалификация и опыт последнего "стаются основным фактором поддержания правильного температур- ного и гидравлического режима печей- Теплотехнический контроль Организация контроля обогрева может изменяться в деталях на различных заводах, однако основная принципиальная схема остается практически неизменной. Для контроля обогрева печей должны производиться следующие записи и замеры: 1. Систематический учет времени готовности печей. 2. Систематические замеры температур контрольных вертикалов. 3. Замеры температур по всем вертикалам простенков печей с тем,, чтобы за определенное время был выполнен промер всех простенков. 4. Систематические замеры температур в верху регенераторов, в вольверах и в боровах. 5. Анализы продуктов горения из боровов и периодические ана- лизы продуктов горения из вертикалов, регенераторов и вольверов. 6. Замер давления, температуры, калорийности и расхода отопитель- ного газа. 7. Систематический замер тяги в боровах. Все замеры и наблюдения, которые проводятся при контроле ра- боты коксовых печей, можно грубо подразделить на две группы. К первой группе относят замеры, которые проводятся системати- чески и регулярно через определенные промежутки времени и в опре- деленном месте. Ко второй группе можно отнести замеры, которые про- изводятся регулярно, но место которых переносится изо дня в день, из смены в смену или от выдачи к выдаче с таким расчетом, чтобы за определенный промежуток времени обойти всю батарею. Эти замеры имеют меньшее значение для суждения о работе батареи в целом и ха- рактеризуют главным образом работу отдельных обогревательных простенков. Кроме всех замеров, связанных с тепловым режимом, должен ве- стись тщательный контроль за состоянием кладки, наличием прога- ров, неплотностей и т. д. Для каждой печи разрабатывается график, на котором отмечаются дефектные места кладки, ремонты и т. п- Улучшение теплотехнического режима коксовых печей является необ- ходимым условием проведения четкого графика работы. Огнеупоры для кладки коксовых печей Для строительства элементов коксовых печей, подверженных воз- действию высоких температур, применяется огнеупорный кирпич (пре- имущественно — динас). Огнеупорный кирпич (или огнеупорный припас) для коксовых пе- чей должен выдерживать высокие температуры в течение продолжи- тельного времени, не подвергаясь размягчению и плавлению. Основные требования, предъявляемые к огнеупорному кирпичу, следующие: 1- Высокая температура плавления. 2. Прочность и устойчивость под давлением при высокой темпера- туре. 3. Устойчивость при изменении температур. 4. Возможно большее постоянство объема при изменении тем- ператур. 142
5. Высокая теплопроводность. 6- Незначительная пористость. 7. Сопротивляемость разъеданию солями, растворенными' во влаге- углей и присутствующими в золе угля. Шамотный кирпич хорошо противостоит воздействию высоких тем- ператур и сохраняет при этом неизменным свой объем. Материалом для изготовления шамота являются огнеупорные глины. Большим недо- статком шамота является склонность его к размягчению под давлением 2 кг/см2 уже при 1300—1330°, т. е. задолго до температуры плавле- ния (1710°). Поэтому постепенно перешли к так называемому полукислому кир- пичу, в котором имеется добавка кварцевых материалов, содержащих, кремнезем. Однако дальнейшее повышение производительности печей и связан- ное с этим повышение температуры в обогревательных каналах при- вело к необходимости применения для кладки коксовых печей дина- сового кирпича. В современных коксовых печах из динасового кирпича выкладываются все подверженные воздействию высоких температур части печи (обогревательные простенки, подовая часть, стены регене- раторов и т. д.). Динасовый кирпич изготовляется из природного кварца с добавкой в качестве связующего 2—3% извести. Преимуществом динасового кирпича, по сравнению с шамотным, является близость температуры его размягчения к температуре плавле- ния. Так, температура плавления динасового кирпича лежит в преде- лах 1710—1760°, а температура начала деформации (под нагрузкой в 2 кг/см2) при 1620° и выше. Это дает возможность поддерживать в обогревательных каналах быстроходных динасовых печей темпера- туры 1350—1450°. Динасовый кирпич имеет бблыпую теплопроводность и лучше про- тивостоит разрушающему действию золы, солей и влаги, чем шамот- ный кирпич. Недостатком динасового кирпича является то, что он плохо переносит резкие колебания температуры и при этом дает изме- нение объема. В настоящее время приняты технические условия, определяющие стандартные требования к качеству огнеупорного кирпича в разных зонах кладки коксовых печей. Кроме динасового и шамотного припаса для печей требуются мертель, гитемпит и другие огнеупорные, а также изолирующие материалы. Мертель является огнеупорным составом для кладки кирпичей. Гитемпитом называется связующий состав для под- мазок трещин. Растопка коксовых печей Вследствие высокого .коэфициента остаточного линейного расшире- ния динасовые кирпичи требуют особого внимания при растопке коксо- вых печей. Приступая к растопке, необходимо предварительно разра- ботать детальный график подъема температуры. Составление такого графика должно вестись в зависимости от температурных кривых рас- ширения данного огнеупорного припаса. Весь график растопки строится с расчетом постепенного нараста- ния скорости подъема температуры. От начала растопки до удаления влаги (до 100-^110°) подъем температуры составляет) в среднем 6° в сутки- Главным периодом растопки следует считать интервал температур от 100 до 600° и в этом интервале необходима максимальная осто- рожность. Начиная с температуры 800°, подъем температуры может быть доведен до 50° в сутки. 143.
Более экономно производить растопку газом (коксовым, доменным генераторным). Растопка газом имеет много преимуществ по сравнению с растоп- кой твердым топливом: легкость и точность регулировки, удобство об- служивания, меньшее количество обслуживающего персонала и др. Однако растопка твердым топливом является более спокойным ме- тодом, так как не сопряжена при недосмотрах с опасностью взрывов. Первый период растопки — сушку, правильнее при всех условиях вести на дровяном топливе, используя щепу и остатки лесного мате- риала. Сушку следует производить нагретым воздухом, для чего горе- ние поддерживают в тонком слое при большом избытке воздуха, не допуская образования острого пламени. Температура нагрева кладки должна подниматься равномерно по всему массиву. В этом случае не будет конденсации водяных паров в отстающих по нагреву частях кладки, тогда как при неправильном ведении сушки в корнюрах по- является конденсация воды. Равномерный подъем температуры во всем массиве остается основным требованием при всех стадиях растопки. В конце растопки распределение температур в кладке должно, при- мерно, отвечать рабочему состоянию печи. Растопке печей предшествует ряд подготовительных операций. Все печные каналы освобождаются от строительного мусора и продуваются сжатым воздухом под небольшим давлением. Барильет путем уста- новки специальных заглушек отключается от камер коксования. Особое внимание уделяется возможности необходимого свободного расширения кладки в процессе растопки. Для этого между анкерными стойками, стягивающими кладку печей, и гайками стяжек уклады- ваются деревянные или свинцовые плашки, которые, сдавливаясь, дают возможность кладке расширяться. При растопке твердым топливом в каждой коксовой камере выкла- дываются из шамотного кирпича временные топки как с коксовой, так и с машинной стороны. В верхних частях камер коксования при кладке оставляют специальные растопочные отверстия, которые в дальнейшем после окончания растопки закладываются пробками- Продукты горения переходят через эти растопочные отверстия или в горизонтальный сборный канал, или в специальный растопочный канал (в печах со сдвоенными вертикалами), откуда через отопитель- ные каналы спускаются в регенераторы и через борова уходят в дымо- вую трубу. Первая загрузка производится после того, как в обогревательных каналах температура будет не ниже 1000°. Перед первой загрузкой (перед пуском батареи в ход) разрабатывается определенный порядок загрузки печей (через две в третью, через три в четвертую и т. п.). Обычно до начала отопления печей коксовым газом, т. е. при пуске на временных топках, одновременно загружают несколько менее одной трети всех печей. Так, при 55 печах в батарее для первой загрузки выделяют 16 печей. В выбранной группе печей разбираются временные топки, расто- почные отверстия закладываются пробками, устанавливаются печные двери, снимаются заглушки со стояков. Перед ломкой временных то- пок тщательно проверяется на герметичность вся арматура, опробуются все механизмы^ проверяется подготовленность химического завода к приему коксового газа и т. п. После того как убеждаются в подго- товленности всех цехов к пуску, производится загрузка намеченной по графику первой печи, причем газ из печи выпускается через стояк в атмосферу. Все печи, предназначенные для первой загрузки шихтой, загружаются подряд, одна за другой, начиная с одного конца коксо- вой батареи. 144
Очень ответственная операция включения получающегося газа в ба- рильет производится с соблюдением всех правил специальной инструкции. Для наблюдения за продвижением газа в барильете и газопроводе к химическому заводу и для вытеснения воздуха контрольные пробки на этом участке держат открытыми. Пробки закрываются по мере по- явления в них газа. Необходимо следить за тем, чтобы в барильете ни в коем случае не было разрежения. Г аз, постепенно наполняя барильет и вытесняя воздух, идет в газо- провод по направлению к эксгаустеру. После проверки пробы газа его пропускают через эксгаустер и возвращают в газопровод обратного газа (отопительный газопровод) и оттуда в контрольные свечи. Лишь после общей продувки газопровода и проверки состава газа, его вво- дят через соответствующие корнюры в обогревательные простенки, соблюдая при этом все правила, предусмотренные особой инструкцией по пуску печей. По мере повышения общей температуры печей уменьшают продол- жительность периода коксования, постепенно приближая ее к норме. Когда продолжительность периода коксования доведена примерно до 22 час., приступают к регулировке отопления печей. Необходимо подчеркнуть, что процесс пуска печей является чрез- вычайно ответственной операцией, от правильного проведения которой в значительной степенй зависит дальнейшая работа всей коксовой ба- тареи. Каждая конструкция печей обладает своими специфическими осо- бенностями. Перед пуском батареи необходимо тщательно изучить все своеобразие конструкции и условий работы и сообразно с этим руко- водствоваться общими правилами и методами пуска- Процессы, происходящие в камере коксовых печей При описании явлений, происходящих в камере коксовой печи, нужно указать последовательность изменений, происходящих с уголь- ной шихтой по мере ее нагревания. Пластическое состояние шихты и коксообразование При нагревании до 100° из шихты испаряется гигроскопическая влага, от 100 до 300° выделяются пары воды, углекислота, серо- водород, а также некоторое количество газообразных углеводородов. С повышением температуры количество газов разложения угля увели- чивается. В промежутке 350—450° из угля начинает выделяться смола, и шихта постепенно переходит в пластическую массу, образующую по мере разложения и выделения газа и паров смолы твердый полукокс. Началу пластического состояния шихты обычно соответствует темпера- тура в пределах от 350 до 450°. Начало образования полукокса про- исходит при температурах от 450 до 550°. Начальная и конечная температура, а также температурный диапа- зон пластического состояния в основном зависят от химического со- става шихты. Выделяющиеся в период пластического состояния пары и газы при- дают пластической массе, в зависимости от ее вязкости и газопрони- цаемости, большую или меньшую пористость, вызывая соответствующее увеличение объема. Образовавшийся при затвердевании пластической массы, полукокс (при температуре 600°) продолжает выделять газь!> состоящие, главным образом, из метана и водорода. Ю Зак. 861Л. Общая химич. технология таплства. 145
Вследствие происходящей при этом усадки в полукоксе образуются трещины, дальнейшее развитие которых определяет форму кусков кокса. При температуре 800° газовыделение почти прекращается, а при 900° полностью обеспечивается надлежащий выжиг кокса. Дальней- шее повышение температуры приводит просто к перегреву уже гото- вого кокса. Коксование шихты в камере печи происходит под действием тепла отопительных простенков, начинаясь от стен камеры и постепенно рас- пространяясь, с убывающей скоростью, к середине загрузки. Теплопроводность и теплопередача шихты Для того чтобы яснее представить картину развивающихся при этом процессов теплопередачи, можно мысленно разделить всю загру- женную шихту на тонкие вертикальные слои, параллельные стенам камеры. При равной толщине таких слоев количество тепла, которое необходимо сообщить каждому слою, чтобы закончить коксование за- ключенной в нем шихты, можно принять одинаковым. Первый слой получает тепло непосредственно от стен камеры, все остальные — через посредство слоев, расположенных между ними в стенкой. Через каждый слой, за исключением последнего, расположен- ного. в середине загрузки, должно пройти все количество тепла, необ- ходимое для коксования последующих слоев. Таким образом, всегда существует равенство: тепло, притекающее к слою, равно теплу, рас- ходуемому на нагревание и коксование слоя, плюс тепло, передавае- мое следующим слоям. Скорость передачи тепла зависит от темпера- турного перепада между слоями и от их теплопроводности. В свою очередь, температурный перепад зависит от количества тепла, погло- щаемого слоем. Тепло расходуется в слое на повышение его температуры в соот- ветствии с истинной теплоемкостью вещества слоя при данной темпе- ратуре (шихта — кокс), на испарение влаги и смолы и на химические- реакции. Реакции могут быть как эндотермическими, так и экзотермическими,, в пределах от —20 до +50 кал на 1 кг шихты. Обычно чем выше содержание кислорода в органической массе угля, тем более тепла выделяет уголь при термическом разложении. Теплопроводность шихты зависит как от состава, так и от насып- ного веса шихты и изменяется в пределах от 0,20 до 0,35 ккал/лс час °СГ т. е. при температурах до пластического состояния в 6—8 раз меньше теплопроводности кладки стен камеры. Теплопроводность пластической массы и полукокса также невелика. Кокс обладает лучшей теплопро- водностью, значительно возрастающей с температурой и при 1000—1100е почти равной теплопроводности кладки. Заметное количество тепла, особенно в верхней части загрузки, передается конвекцией вследствие движения через загрузку выделяю- щихся паров и газа. Температура стен камеры около верха загрузки несколько ниже, чем у пода. Это обстоятельство, компенсируя влияние конвекции, действует выравнивающим образом. На рис. 64 показаны кривые подъема температуры загрузки в ка- мере шириной 400 мм при средней температуре вертикалов около 13009. Кривая I дает температуру слоя, непосредственно прилегаю- щего к стене камеры, кривая II— слоя, расположенного на расстоянии 100 мм от стены, и кривая III — слоя на оси камеры. На рис. 65 показаны кривые распределения температур по напра- влению от стен камеры к середине, последовательно через промежутки времени 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 и 16 час. после загрузки (изохроны). 146
Все кривые на рис. 64 и 65 составлены для точек, находящихся в средней зоне печи по высоте загрузки. Из рассмотрения кривых видно, что в данном случае коксование заканчивается через 14 час., так как температура среднего слоя, наи- более отдаленного от стен (кривая III на рис. 64 и изохрона для 14 час. на рис. 65), к этому времени достигает 900°. Температура всех слоев, за исключением ближайших к стене, задерживается на уровне около 100°, за счет испарения влаги шихты, и затем быстро растет. Рост температуры среднего слоя (от 100°) начинается примерно на половине периода коксования и идет медленнее, но более равномерно, чем в остальных слоях (кривая ///, рис. 64). Прилегающий к стене камеры слой шихты чрезвычайно быстро прогревается до температуры порядка 500°. Затем наступает замедле- ние и температура, постепенно повышаясь, доходит к концу коксова- ния до 1000° и выше. Действительно, после загрузки в печь шихты, имеющей летом температуру около 25°, а зимой 10° и ниже, поверх- ность стен камеры быстро охлаждается — примерно до 600°. В это время в шихту поступает тепло, аккумулированное в кладке. Уместно Рис. 64. Кривые подъема температуры загрузки в камере коксования. Расстояние от стеноп в мм. Рис. 65. Изохроны распределе- ния температур от стен к се- редине камеры коксования (цифры иа кривых показывают продолжительность нагревания в часах). заметить, что вследствие возникающего при этом большого темпера- турного перепада в стенках камеры тепло горения газа в вертикалах устремляется в сторону свежезагруженной печи, вызывая уменьшение подачи тепла в камеры соседних печей. По мере нагрева соприкасаю- щейся со стенами загрузки температура поверхности стен в камере по- вышается сперва быстро, а затем замедленно, выравниваясь во второй половине периода коксования на уровне приблизительно на 200° ниже средней температуры вертикалов. Перед концом коксования темпера- тура стен начинает снова быстро повышаться. Таким . образом, процесс коксования слоев загрузки, непосред- ственно соприкасающихся со стенами камеры, бурно развиваясь, прохо- дит в течение нескольких минут стадии подсушки и пластического со- стояния. Образовавшиеся у стен камеры так называемые пластические слои передвигаются внутрь загрузки со скоростью, вначале быстро замедляющейся, а затем снова увеличивающейся при приближении к оси камеры. 10*
На рис. 66 показана кривая, характеризующая скорость перемеще- ния пластического слоя на разном расстоянии от стен камеры, со- ставленная в соответствии с кривыми роста и распределения темпера- тур, рассмотренными выше. Температурный интервал и ширина пла- стического слоя зависят от индивидуальных качеств шихты. Ширина слоя уменьшается с повышением температуры в вертикалах печи и увеличивается по мере удаления пластического слоя от стен камеры. Скорость движения пластического слоя и изменение его ширины можно проследить, рассматривая температурные кривые. Действи- тельно, горизонтальные проекции отрезков изохрон, ограниченных тем- Рис. 66. Кривая скорости пере- мещения пластического слоя. пературными линиями интервала пла- стичности (на рис. 65 заштрихованная полоса), дают на оси абсцисс как ши- рину пластического слоя, так и расстоя- Рис. 67. Схемати- ческий разрез мас- сива загрузки: 1 — кокс; 2 — полу- кокс; <3—пластический слой; 4 — зона сухой и подогретой шихты; 5— сырая шихта. ние его от стен камеры. Схематический разрез массива загрузки в процессе коксования представлен на рис. 67. В середине массива видна сырая шихта 5, около стен — готовый кокс 1, разделенный на куски продольными тре- щинами. Между шихтой и коксом последовательно расположены зоны сухой и подогретой шихты 4, в которой частично конденсируются смо- ляные пары, выделяющиеся из пластического слоя 3, за которым сле- дует зона полукокса 2 с начинающими развиваться в нем продольными трещинами. У пода камеры и в верхней части загрузки куски кокса имеют изогнутую форму, разделяясь трещинами, нормальными к изо- термическим поверхностям. Движение газов в загрузке коксовой печи Направление движения потоков газа в загрузке в основном опреде- ляется присутствием пластического слоя. Наибольшее сопротивление прохождению газов представляют как затвердевающая пластическая масса, переходящая в полукокс, так и полукокс до появления в нем усадочных трещин. В таком случае водя- ные пары и основная масса паров первичной смолы и газов, образую- щихся в пластическом слое, будут двигаться вверх через середину загрузки. Уходя из зоны, имеющей температуру 350—400°, газы и пары смолы ускоряют прогрев шихты. Частично пары смолы конденси- 148
руются в шихте. Пропитывание близлежащей шихты растекающейся смолой размывает грань между шихтой и пластическим слоем. При своем движении вверх между пластическими слоями парогазовая смесь, очевидно, должна итти, главным образом, по зоне подсушенной шихты, при средней температуре порядка 250—300', при которой за- метного термического разложения этой парогазовой смеси быть не может. Совершенно иной характер будут иметь газовые потоки между пла- стическим слоем и стенами камер. Содержание летучих в образую- щемся из пластической массы полукоксе обычно остается в пределах от 7 до 10%. В процессе перехода полукокса в кокс выделяются газы, состоя- щие из водорода, метана и некоторого количества более тяжелых угле- водородов. Эти газы, проникая через поры полукокса, направляются по образующимся в полукоксе трещинам, а затем по трещинам в коксе к стенам камеры. При прохождении через поры и трещины из зон более холодных в зоны более высоких температур газы нагреваются, причем газообразные углеводороды, разлагаясь (метан в меньшей сте- пени), выделяют углерод в виде графита на стенках пор и трещин. Со- держание водорода в этих газах, по мере повышения температуры, непрерывно возрастает. Температура газов, двигающихся вверх около стен камеры в зоне раскаленного кокса, достигает к концу периода коксования 1000° и выше. Раньше чем проникнуть в подсводовое пространство, поток паров и газов, поднимающийся из середины загрузки, должен пройти через верхнюю часть загрузки, коксующуюся под действием тепла излуче- ния кладки. Следует предполагать, что именно в этой рыхлой и рас- каленной части верха загрузки развиваются процессы пирогенетиче- ского разложения паров смолы, продолжающиеся затем в подсводном пространстве. Смешение с потоками раскаленных газов, поднимающихся у стен,’ а также каталитическое действие кокса, кладки и образующе- гося на кладке графита оказывают свое действие на процессы пиро- лиза. Однако основными факторами, влияющими на глубину разложе- ния, являются температура и время пребывания паров в подсводовом пространстве. Ароматические углеводороды образуются, главным образом, за счет разложения паров смолы. Повышение температуры способствует увели- чению выходов бензола, однако до известных пределов. Температура подсводового пространства в пределах 700—720° является наиболее благоприятной для образования ароматики. Даль- нейшее повышение температуры понижает выход смолы, уменьшая со- держание в ней толуола. Полученная при высших температурах подсво- дового пространства смола обладает высоким удельным весом (1,20 и более), содержит значительное количество свободного углерода и при разгонке дает мало масел и большое количество пека. При высоких температурах в этой смоле почти исчезают фенолы и появляется боль- шое количество нафталина. Увеличение времени пребывания смоляных паров в подсводовом пространстве действует в том же направлении, как и повышение тем- пературы. Поэтому понятно стремление исключить возможность перегрева га- зов в подсводовом пространстве путем уменьшения высоты отопитель- ных вертикалов, устройством дополнительных каналов, а также по- тачей в подсводовое пространство распыленной воды или водяного пара. Последним достигается не только понижение температуры 'в под- сводовом пространстве, но и более быстрое удаление из него таро- газовой смеси. 14»
Выделение газов из печной камеры достигает максимума обычно через 2—3 часа после загрузки, когда образовавшиеся пластические слои отойдут от стен камеры и когда к газам, выделяющимся из зон шихты — пластический слой, добавятся газы, выделяющиеся из полу- кокса при переходе его в кокс. К этому времени устанавливается и сравнительно постоянный состав газа (водорода 48—55%, метана 32—36% на сухой газ). Затем по мере продвижения пластических слоев к середине печи, выделение газа замедляется вначале незначительно, с тем, чтобы резко пойти на убыль с момента соприкосновения пласти- ческих слоев друг с другом. Содержание метана в газе уменьшается, а водорода — возрастает. Выделение тяжелых углеводородов прекра- щается с исчезновением пластического слоя. К концу коксования вы- деляющиеся в дебольшом количестве газы состоят почти исключительно из водорода (до 75% и выше), окиси углерода и азота. Следует за- метить, что содержание окиси углерода в газе (обычно 4—6%) почти не изменяется' во все время коксования. Происхождение окиси угле- рода в газе объясняется, главным образом, реакциями между коксом и углекислотой или водяным паром. Повышенное содержание !в газе а_зота, а также окиси углерода в конце коксования указывает на недо- статочную герметичность камеры коксования и подсос в нее дымовых газов или воздуха. Сразу после загрузки, стены печной камеры испытывают только да- вление засыпанной шихты и выделяющихся газов. После образования пластических слоев, по мере их движения к середине, давление газов внутри загрузки возрастает и к нему присоединяется распи- рание, производимое пластическим слоем до его затвердевания в полу- кокс. До тех пор, пока пластические слои находятся на значительном расстоянии друг от друга, действие распирания сводится к постепен- ному прессованию шихты, находящейся между слоями. Сопротивление шихты прессованию быстро растет, соответственно чему увеличивается и давление загрузки на стены камер. По мере движения пластических слоев и уплотнения находящейся между ними шихты повышается сопротивление потоку газа вверх через середину загрузки. Соответ- ственно с этим увеличивается давление газов между слоями, что, в свою очередь, увеличивает давление и «а стены камер. С другой стороны, усадка полукокса, переходящего в кокс, сперва ослабляет, а затем и' вовсе уничтожает давление коксового пирога на стены камер. К концу коксования коксовый пирог отходит от стен камеры, а во время выдачи, при падении в тушильный вагон, распадается по вер- тикальному шву на две части, рассыпающиеся кусками. Вертикальный шов, часто называемый пластическим швом, остается в коксовом пи- роге как след движения газов между пластическими слоями при их слиянии и переходе в полукокс. Большое значение в образовании шва имеют и напряжения, вызываемые усадкой. Непременным условием свободной выдачи коксового пирога является требование, чтобы ширина коксового пирога была меньше ши- рины загрузки. Этому условию удовлетворяют шихты, усадка которых, определяемая по пластометрическому методу Сапожникова, соответ- ствует параметру № 18 и выше. Однако и такие шихты в процессе коксования могут оказывать зна- чительное давление на стены камер в определенные часы после за- грузки. На определение величины этого давления и времени его дей- ствия должно быть обращено внимание при установлении графика вы- дачи печей. Л50
Методика составления балансов коксовых печей Данными для составления материального баланса служат резуль- таты лабораторных, полузаводских и заводских испытаний угольной шихты, которая намечается к использованию на проектируемой уста- новке, а также технические показатели практической работы заводов, применяющих сходную или аналогичную шихту. Материальный баланс Различают поэлементарный материальный баланс и материальный •баланс по продуктам коксования. Поэлементарный баланс составляется редко и имеет значение, главным образом, для теоретического анализа. Для практических целей достаточно составления баланса по про- дуктам коксования. Баланс составляется обычно на 1 т загружаемой в печь сухой шихты. Приходная часть баланса складывается из трех статен: 1. Количества загруженной сухой шихты. 2. Количества поступившей с шихтой влаги. 3. Количества засосанных воздуха и продуктов горения. Содержание влаги в шихте составляет обычно 4—6% при отсутствии мокрого обогащения и 6—8% при наличии последнего. Количество засосанных воздуха и продуктов горения может быть с удовлетво- рительной точностью определено на основе следующих соображений. Коксовый газ при выходе из коксовых камер не содержит кислорода. Кислород появляется в газе на участке между печами и эксгаустером вследствие подсоса воздуха через неплотности трубопровода и аппаратуры. Для пересчета анализа обратного газа на безвоздушный необходимо вычеркнуть 79 в анализе содержание Ог и уменьшить содержание Na на величину, равную Ot или 3,76 О», а затем пересчитать все данные анализа на 100% умножением их на коэфициент: 100 К ~ 100 — 4,760, • ' Выход безвоздушного газа равняется: K = 1/обр., (35) где Уобр—выход по замеру обратного газа. Содержание азота в коксовом газе при полной герметичности камер коксования не может быть выше 1,5—2,0%, так как при обычном содержании азота в шихте менее 2% в газ переходит дзота не более 40%. Избыточное против этого содержание азота в безвоздушном газе является ре- зультатом проникновения в коксовую камеру воздуха и продуктов горения через неплотности дверей и стен камеры. Весовое количество засосанного воздуха и продуктов горения в кг на 1 г шихты будет: k — ^’"100 1,25> кг—1,25 V-jr кг, (36) где V — выход безвоздушного газа; N«— избыточный объем в объемных процентах; К — содержание азота в весовых процентах (обычно от 77 до 84) в засосан- ных воздухе и продуктах горения. Расходная часть баланса складывается из следующих показателен: 1. Выход кокса (валового сухого). 2. Выход смолы и фусов. 3. Выход ароматических углеводородов. 4. Выход аммиака. 5. Выход С Оз + HaS надсмольных вод. 6. Выход воды (влага шихты + пирогенетическая влага). 7. Выход коксового газа (сухого, безвоздушного). 8. Потери и неувязки. Валовый выход кокса составляет от 75 до 60% от веса сухой шихты. Выход смолы и фусов колеблется обычно в пределах 2—3% от веса сухой шихты, выход 151
ароматических углеводородов, кипящих до 180°, от 0,8 до 1,3% и выход аммиака' от 0,28 до 0,35%. Выход СО» + H»S надсмольных вод зависит от применяемой схемы улавлива- ния аммиака. При работе на аммиачную воду он составляет в среднем от 0,6 до 0,7%, при работе на сульфат—всего 0,1%. При составлении материального баланса для той нли иной угольной шихты выходы продуктов коксования надлежит уточнить по данным лабораторных и за- водских испытаний. Выход воды складывается из влаги, внесенной с шихтой, и пирогенетической влаги. Обычно принимают, что при образовании пнрогенетической воды связывается половина кислорода угля. Тогда ее количество определяется нз уравнения: ^ппр. ~ О,5 ‘ ’ 10 кг1т СУХОЙ шихты, (37) где Оц—содержание кислорода в сухой шихте в процентах. Вода расходной части баланса частично получается в жидком состоянии, в виде надсмольных вод, частично остается в парообразном состоянии в виде влаги кок- сового газа. Выход коксового газа составляет, считая на сухой безвоздушный газ, от 300 до 350 лР на тонну сухой шихты. Весовой выход вычисляют, умножая объомный выход на удельный вес газа, определяемый или на основании данных газового ана- лиза или прибором Шиллинга по скорости истечения газа. Последней статьей материального баланса являются неувязка н потери. Эта статья не должна превышать 1—3% от веса сухой шихты. В табл. 40 показан примерный материальный баланс, составленный на тонну сухой шихты при работе на сульфат аммония. ТАБЛИЦ \ 40 Примерный материальный баланс коксования Приход кг °/о Расход кг % Шихта сухая 1000 92.58 Кокс валовой сухой 790 73,14 Влага шихты 60 5,56 Смола и фусы 28 2,59 Засосанные воздух + про- 20 1,86 Бензольные углеводороды . . П 1,02 вукты горения Аммиак 3 0,28 CO24-H2S (надсмольная вода) Вода (влага угля-f-пирогене- 1 0,09 тическая) 85 7,87 Газ (сухой безвоздушный) . . 150 13,90 Невязка -|- потери 12 1,11 Всего . . , 1080 100 Всего .... 108.0 10) Тепловой баланс Тепловой баланс составляется в условиях работающей установки для выявления неэффективных затрат тепла, распределения расхода тепла по отдельным статьям баланса и установления расхода тепла на обогрев или при проектиров1ании с целью получения необходимых для расчета данных. Баланс составляется обычно на тонну сухой шихты, исходя из предположения, что теплота коксообразования равна нулю. Приходная часть баланса складывается из следующих показателен: 1. Тепло сгорания отопительного газа. 2. Физическое тепло отопительного газа. 3. Физическое тепло шихты (с влагой). 4. Физическое тепло воздуха, подведенного для сжигания отопитель- ного газа. . • 152
Тепло сгорания отопительного газа представляет главную статью приходной части баланса и составляет 97—98% общего прихода тепла. Оно может быть опре- делено из выражения: = -Связи... <38) где Р — расход газа на коксование 1 т сухой шихты; Он.зш — низшая теплотворная способность газа. В случае, если величина Р при составлении баланса неизвестна, последний может быть использован для ее определения, так как при приравнивании суммы расходных и приходных статей баланса нулю получается уравнение с одним неиз- вестным Р. Расходная часть баланса складывается из следующих показателей: 1. Физическое тепло коксового пирога. 2. Физическое тепло коксового газа (сухого, безвоздушного). 3. Теплосодержание паров летучих продуктов коксования- 4. Теплосодержание водяных паров. 5. Физическое тепло продуктов горения. 6. Теплопотери и неувязки баланса. Основной статьей расходной части баланса является тепло коксового пирога, составляющее 45—50% от всего расхода 7епла. Для подсчета физического тепла коксового газа нужно знать выход газа (по- материальному балансу), его состав и температуру на выходе нз камеры коксова- ния. Для современных быстроходных печей температура газа около 700—750е*, фи- зическое тепло газа составляет около 15% общего расхода тепла. Теплосодержание летучих продуктов коксования и водяных паров складывается из физического тепла и скрытой теплоты парообразования. Для подсчета соответ- ствующих статей баланса нужно знать выходы и температуры паров летучих про- дуктов и воды, а также их скрытые теплоты испарения. Обычно принимают, что температура водяных паров и летучих продуктов сов- падает с температурой газа и что скрытые теплоты испарения составляют для ароматических углеводородов около 90 кал/кг, для смолы—'около 85 кал/кг, для воды — 540 кал!кг. Теплосодержание паров воды составляет около 10—15%- от общего расхода тепла, а теплосодержание летучих продуктов коксования около 2,7—3,2%. Теплосодержание продуктов горения вычисляется на основании данных замера их температуры, газового анализа и расчета горения газа. Зная расход газа на отопление и анализ отопительного газа, легко определить теоретическое количество продуктов горения при коэфициеите избытка воздуха а = I. На основании газового анализа продуктов горения определяется действительное значение а и действитель- ное количество продуктов горения. Теплосодержание продуктов горения составляет обычно 11—15% от общего расхода тепла. Теплопотери складываются из теплопотерь на лучеиспускание и конвекцию. Эта статья теплового баланса занимает около 10% расходной части и определяется путем соответствующих тепловых расчетов. Методика расчета сводится в основном таблица -И Примерный тепловой баланс коксования Приход кал. % Расход кал % Тепло сгорания газа . . . 601,89 97,87 Физическое тепло коксового пирога . 277,0 45 Физическое тепло газа . . 1,05 0,17 Физическое тепло коксового газа 92,2 15 Физическое тепло шихты . 7,38 1,2 Теплосодержание летучих продуктов 16,62 2,7 Физическое тепло воздуха 4,68 0,76 Теплосодержание водяных паров 73,8 12,0 Физическое тепло продуктов горения 86,05 14,0 Теплопотери -ф нехватка . . 69,33 11,3 Всего . . . 615 100 Всего . . . 615 100 153
тому, что теплоотдающая поверхность печного блока делится на участки равной температуры и для каждого такого участка производится подсчет теплопотерь. По- лученные величины суммируются, дополняются теплопотерямм на излучение во время выдачи и теплопотерями через фундамент и относятся к единице веса шихты. В табл. 41 приведен примерный тепловой баланс, составленный на тонну сухой шихты применительно к данным материального баланса. Расчет коксовых печей Задачей расчета печной системы является определение размеров сечений, скоростей и сопротивлений в отдельных частях системы и сба- лансирование сопротивлений движению газовых потоков отопительной системы с располагаемым напором (тягой). Для сбалансирования* тяги и сопротивлений необходим предвари- тельный расчет горения топлива и расхода тепла в качестве исходных величин для расчета объемов воздуха и дымовых газов и расчета от- дельных частей топочной системы. Размеры рабочего пространства печей определяются, главным об- разом, из технологических и конструктивных соображений и являются исходным пунктом для расчета системы. Для сбалансирования сопротивлений и тяги при выборе сечений эле- ментов топочной системы приходится неоднократно изменять сечения. При этом каждый раз необходимо пересчитывать сопротивления, что для простоты целесообразно проводить при помощи графиков и но- мограмм. Расход тепла определяется из теплового баланса. Расчеты горения могут производиться различно. Для многих топлив разработаны но- мограммы, с помощью которых, зная состав топлива или иногда даже только его теплотворную способность, можно с достаточной степенью точности выбрать необходимые для расчета величины. Качество кокса В результате процессов коксования загруженная в камеру печи угольная шихта дает твердый продукт — кокс и летучие продукты, ухо- дящие из камеры в виде парогазовой смеси. Основная масса производимого кокса используется для выплавки чугуна. Требования, которые предъявляются к металлургическому коксу доменным производством, устанавливаются стандартами, определяю- щими содержание летучих, золы и серы, влаги, некоторые механиче- ские показатели, в качестве которых в СССР принята так называемая барабанная проба, размер кусков и содержание мелочи. Состав кокса В хорошем металлургическом коксе содержание золы не должно превышать 9,5—10,0% и содержание серы 1,2—1,7%. Большая зольность кокса значительно удорожает выплавку чугуна, уменьшая производительность доменных печей, увеличивает расход его, а также вызывает повышенный расход известняка на ошлакова- ние золы. Последнее, в свою очередь, увеличивает расход кокса, так как для плавки дополнительных количеств шлаков требуется допол- нительный расход тепла. По опытным данным каждый 1% повышения золы в коксе увеличивает на 2% % расход кокса. В литейном производстве повышенное содержание золы увеличи- вает трудности получения хорошего литья вследствие загрязнения чу- гуна получающимися при плавке, шлаками. Большое значение состав золы имеет также при использовании коксов для неметаллургических целей, например в топках и газогенераторах. Это объясняете^ тем, что 154
состав золы определяет ее плавкость — характеристику, особенно важ- ную для генераторного процесса. Снижение зольности кокса может быть достигнуто путем снижения зольности поступающей на коксовую установку угольной шихты (обо- гащение углей и более чистые присадки). Излишне высокая влажность кокса приводит к снижению тепло- творной способности его, однако содержание влаги в коксе в пределах до 5—7% не вызывает дополнительного расхода тепла в домне, так как влага удаляется за счет теряющегося тепла отходящих колошни- ковых газов. Снижение содержания влаги до необходимых пределов может быть достигнуто правильной организацией тушения кокса. Наиболее вредной составной частью кокса является сера. Повышен- ное содержание серы приводит к необходимости большого увеличения флюсов в доменной шихте и, следовательно, к резкому росту количе- ства шлаков. В случае недостаточно основного характера шлаков сера переходит в чугун, ухудшая его качество. При содержании серы в коксе в J—1,3% для предотвращения перехода серы в чугун количество шлаков при плавке должно быть не менее 0,5—0,6 т на 1 т чугуна; при содержании серы 2—2,5% количество шлаков должно быть повы- шено до 0,9—1,0 г на 1 т чугуна. Еще более вредна сера в литейном коксе. Сернистость кокса обычно связана с его повышенной истирае- мостью и большим образованием мелочи. 'Многочисленные попытки обессеривания кокса в процессе коксова- ния до сих пор не дали достаточно удовлетворительных результатов, и пока единственным методом снижения содержания серы в коксе является обогащение поступающего для нужд коксования угля. Содержание в коксе летучих может служить характеристикой сте- пени его готовности и равномерности обжига по всей массе коксового пирога. К концу периода коксования основная масса кокса практиче- ски лишена летучих. Определяемые в лабораторной тигельной пробе кокса летучие должны быть отнесены за счет некоторого содержания их в- центральной части коксового пирога и, главным образом, за -счет попавших в среднюю пробу кусков недопала. Оптимальным содержа- нием летучих в средней пробе кокса можно считать 0,8—1,0%. Физико-механические свойства кокса К физико-механическим показателям качества кокса -в первую оче- редь относятся его крепость и истираемость. Кокс должен обладать достаточной прочностью, чтобы успешно противостоять механическим воздействиям, которым он подвергается за время нахождения в до- менной печи. -Прежде всего кокс должен хорошо сопротивляться исти- рающим усилиям. Слабый кок-с дает в домне много мелочи, создаю- щей затруднения дутью, проходящему через загрузку. Кроме того, мелочь легко обволакивается шлаком и горение ее затрудняется. В та- ком случае коксовая мелочь проходит мимо фурм, приводя к замусори- ванию горна, горению фурм и другим нарушениям нормального про- цесса доменной плавки. Цвет кокса не может служить характеристикой его качества, хотя в большинстве случаев хороший металлургический кокс имеет серо- стальной цвет. Кокс не должен содержать заметных количеств губки и недопала, отдельные куски не должны иметь большого количества трещин. Между внешним видом кусков кокса и его свойствами существует не- сомненная связь. Наилучш-ий кокс получается обычно в виде одно- 155
родных кусков, примерно, призматической формы. Форма и размер кусков зависят от состава шихты. Можно установить для каждой шихты определенную зависимость между продольными и поперечными измерениями кусков кокса. Размер и в меньшей мере форма кусков кокса зависят также от ширины печей и режима коксования. В качестве металлургического кокса используется кокс размером выше 25 мм. Выход такого металлургического кокса на быстроходных печах Донбасса составляет 93—95% от валового выхода кокса. Гра- ницы крупности металлургического кокса в значительной степени условны. Барабанная проба и проба на сбрасывание. Определение механиче- ских показателей кокса на производстве сводится к так называемой барабанной пробе. В последнее время начинает приобретать распро- странение также и проба на сбрасывание. На металлургических и коксохимических заводах СССР для бара- банной пробы применяется барабан Сундгрена диаметром в 2000 мм и шириной в 800 мм. Цилиндрическая поверхность барабана образо- вана прутьями из круглого железа в 25 мм\ между прутьями остаются зазоры также в 25 мм ши- рины. По окружности бара- бана умещается 126 прутьев. Цилиндрическая часть име- ет отверстие, закрываемое откидной дверцей, сделан- ной также из 25-зьи прутьев и служащей для загрузки и опорожнения барабана. Днища барабана делаются сплошными. Барабан наглухо наса- живается на горизонталь- ном валу. Вал приводится во вращение, делая точно 10 об/мин. Для испытания в барабан загружается 410 кг кокса. Барабан вращается _J| в течение 15 мин., затем барабан останавливается, остаток кокса высыпается Рис. 68. Аппарат для испытания кокса -на через разгрузочное отвер- сбрасывание. стие и взвешивается. Полу- ченный вес и определяет ба- рабанную пробу. Хороший кокс должен дать остаток не менее 300—320 кг. В последнее время на наших заводах начинает применяться широко распространенная на заводах США «проба на сбрасывание», характе- ризующая склонность кокса к образованию мелочи при падении. Ис- пытание производится в стандартном ящике шириной 410 мм, длиной 670 мм, глубиной 370 мм. Ящик устанавливается на чугунной или стальной массивной плите, окруженной для предотвращения потерь кокса бортом вышиной в 100 мм (рис. 68). Дно ящика состоит из двух дверец, навешенных на петлях. Ящик может подниматься и опу- скаться по специальному направляющему устройству. При максималь- ном поднятии ящика расстояние от его дна до плиты составляет 1850 мм. Для проведения испытания в ящик загружают 25 кг кокса разме- рами кусков свыше 50 мм, разравнивают кокс, поднимают ящик и, от- 156
крывая затвор, удерживающий дно, дают коксу упасть на плиту. После этого закрывают дно, опускают ящик и собирают в него весь кокс с плиты. Затем ящик снова поднимают и вновь производят сбрасыва- ние. Сбрасывание повторяется четыре раза. После этого кокс подвер- гается просеиванию на ситах с квадратными отверстиями размером 50, 40 и 25 мм. Остаток кокса; на сите 40 мм (в %) принимают за индекс пробы падением. Для металлургического кокса индекс падения должен быть не ниже 90—93%. Дробление кокса происходит по уже имеющимся в куске кокса трещинам. Трещиноватость и пористость. В СССР принят следующий метод замера трещиноватости кокса. На кусок кокса накладывается сетка, со- стоящая из рамки с натянутыми нитями, образующими квадраты пло- щадью в 1 см2. С помощью сетки подсчитывают длину трещин и площадь грани куска. Отношение длины трещин в см к площади в см2 дает показа- тель трещиноватости. Кокс обладает значительной пористостью. Для металлургического кокса, она колеблется обычно в пределах 45—55%. Определение пори- стости производится путем сравнения истинного и кажущегося удель- ных весов. Пористость кокса способствует восстановлению углекислоты, поэтому литейный кокс должен обладать меньшей пористостью по сравнению с доменным. Реакционная способность кокса Различные образцы кокса с разной скоростью взаимодействуют с углекислотой, кислородом и водяным паром при одной и той же температуре и имеют разные температуры воспламенения; при сжига- нии в одинаковых условиях они дают за одно и то же время разную потерю в весе. Сущность всех методов определения реакционной способности сво- дится к определению скорости реакции кокса с кислородом или угле- кислотой по уравнениям: С О2 * СО2; СЧ-СО2 —> 2СО. Реакционная способность кокса различна по отношению к различ- ным газам. Поэтому необходимо всегда указывать, по отношению к какому газу определена его реакционная способность. Большое зна- чение имеет различие реакционной способности кокса при использова- нии в газогенераторах и вагранках.
ГЛАВА 7 ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Газификацией твердого топлива называют термические процессы, при которых органическая часть твердого топлива превращается в го- рючие газы с помощью воздуха, водяных паров, технического кисло- рода или других газов. Твердым Остатком при газификации должна являться только' него- рючая часть топлива — зола. Практически твердый остаток — шлак содержит обычно некоторое количество горючей части топлива. При газификации битуминозных топлив наряду с газообразными продуктами могут получаться и жидкие (смола, кислоты и др.), пары которых конденсируются и выделяются при охлаждении газового по- тока. Аппараты, служащие для газификации твердого топлива, называются газогенераторами. В зависимости от способа газификации и рода пере- рабатываемого твердого топлива получаются различные по своим свой- ствам (составу и теплотворной способности) генераторные газы: воз- душный, смешанный или полуводяной, водяной, двойной водяной, окси- газ, газ Монда и др. Для получения различных видов генераторных газов соответственно применяются различные типы газогенераторов в зависимости от рода перерабатываемого топлива, мощности газогенератора и пр. Физико-химические основы газогенераторного процесса Схема работы газогенератора • Газогенератор обычно представляет собой вертикальную шахту из листового железа, обмурованную внутри огнеупорным кирпичом. Топливо подается сверху. Воздух, водяной пар или другие газообраз- ные реагенты (например двуокись углерода) подаются в газогенера- тор снизу под колосниковую решетку. Получающийся газ отводится из верхней части газогенератора .над слоем топлива. Шлак удаляется с колосниковой решетки в нижней части газогенератора. Схема ра- боты газогенератора изображена на рис. 69. Введенное в газогенератор твердое топливо постепенно опускается вниз, навстречу нагретому газовому потоку. Поступающие через колосниковую решетку в шахту газогенератора воздух и водяной пар, поднимаясь вверх, проходят сначала через слой шлака и при этом несколько подогреваются. Затем они встречают слой раскаленного кокса и вступают в реакцию с углеродом кокса. Про- странство, занимаемое нижней частью слоя топлива, в котором еще имеется свободный кислород, называется окислительной зоной или зо- ной горения. В зоне горения газ содержит в значительном количестве продукт полного сгорания углерода — двуокись углерода. 358
Двуокись углерода, образовавшаяся в зоне горения, поднимаясь выше, восстанавливается раскаленным углеродом кокса в окись угле- рода. Пространство, в котором протекают восстановительные реакции, называется зоной восстановления. Зона горения и зона восстановления вместе называются зоной газификации. Над зоной восстановления находится зона полукоксования, а еще выше — зона подсушки. Зона полукоксования и зона подсушки вместе называются зоной подготовки топлива. В некоторых конструкциях газогенераторов дутье (воз- дух, пар) подается сверху и газовый поток движется вниз в одном направлении с топли- вом, в других конструкциях дутье подается сбоку и газо- вый поток движется в гори- зонтальном направлении по- перек слоя топлива. Существование указанных зон в газогенераторе можно проследить по результатам по- зонных исследований работы газогенератора. На рис. 70 приведены кривые хода газо- образования в слое кокса. В зоне горения содержание в газе окиси углерода невелико, а двуокиси углерода макси- мальное. Водород, появивший- ся в результате разложения водяного пара, обнаружен только за пределами зоны горения, т. е. в той зоне, где свободный кислород уже полностью израсходован. Сушка ip Полукоксование Восстановление __Горение Окислительная звка, Шлак ( зольная зона) г Рис. 69. Схема работы газогенератора: / — загрузочный люк; 2 —подача воздуха; 13—вы- вод генераторного газа; 4—колосниковая решетка; 5 — затвор. Толшина слоя топлива к см Рис. 70. Ход газообразования в слое топлива в газогенераторе. Наличие в газогенераторе зоны подготовки топлива видно из опы- тов с каменным углем на паровоздушном дутье (табл. 42). На рас- стоянии 1000 мм от решетки были обнаружены следы смоляных паров 159-
ТАБЛИЦА 42 Изменение состава газа и температуры по высоте газогенератора при паровоздушном дутье Место отбора проб по высоте шахты над колосниковой решеткой Состав газа в % (объемн.) Тем- пера- тура в °C СО2 СО СН4 Н2 о2 N2 У сопла: ИЛ 9,5 79,1 250 мм 9,3 22,0 0,4 10,8 — 57,5 1110 500 5,5 28,0 0,9 13,7 — 51,9 ~ 750 3,0 32,7 1,2 17,9 45,2 925 1000 „.....• ..... 5,0 28,7, 5,0- 21,8 — 39,5 1250 6,0 28,3 4,8 20,7 — 40,2 810 1500 6,3 28,0 4,1 19,0 — 43,6 — Г азопровод . . • 5,5 26,8 3,4 14,6 — 49,7 410 я возрастание содержания метана в газе, что указывает на протека- ние процесса сухой перегонки. На расстоянии 250 мм от решетки уже находится зона восстановления, — здесь в газе обнаружены значитель- ные количества окиси углерода и водорода и отсутствует свободный кислород. Механизм основных реакций процесса газификации В настоящее время существуют три гипотезы химического взаимо- действия углерода с кислородом. 1. Гипотеза первичного образования двуокиси углерода по реакции: С + О2 = СО2. Окись углерода является по этой гипотезе вторичным продуктом вос- становления двуокиси углерода раскаленным углеродом топлива в ре- зультате реакций С + СО2 = 2СО. 2. Гипотеза первичного образования окиси углерода по реакции: 2С-|-О2 = 2СО, согласно которой двуокись углерода является вторичным продуктом последующего окисления окиси углерода по реакции: 2СО -Г О., = 2СО2. 3. Гипотеза о промежуточном' образовании сложного углеродно- кислородного комплекса по реакции: х • С 4~ у О2 = по этой гипотезе предполагается, что в дальнейшем из комплекса об- разуются СО и СО2 в различных соотношениях в зависимости от усло- вий протекания реакции: СЖОЙ = mCO2 -|- пСО. 1 Первичными называются реакции, происходящие между углеродом кокса и газифицирующим» реагентами. Вторичными называются реакции, происходящие между продуктами первичной химической реакции и газифицирующими реагентами или твердым углеродом кокса. 160
I Гипотеза первичного образования двуокиси углерода является наиболее ранней теорией горения углерода. Эта теория основывается на факте сгорания алмаза в кислороде без видимого пламени непосредственно в двуокись углерода, а также на работах Смита, обнаружившего, что влажный кислород, поглощенный углеродом при 12°, выделялся при нагревании углерода до 100° в виде двуокиси углерода. Ход газообразования в обычных газогенераторах по анализам проб газа, взя- тых в различных точках но высоте слоя топлива, большей ’ частью также приводит к выводу, что первичным продуктом горения твердого углерода с кислородом является двуокись углерода. Эта теория первичного образования двуокиси углерода и последующего вос- становления ее в окись углерода в зоне восстановления получила название «редук- ционной теории газогенераторного процесса» и имеет значительное распространение еще и в настоящее время. Л, В 1872 г. Белле получил большое- количество окиси углерода при анализе проб газа, взятых в доменной печи вблизи фурм для подачи воздуха. Далее С. Бекер определил, что поглощенный сухим древесным углем сухой кислород выделяется при температурах выше 450° главным образом в виде окиси углерода, что не могло явиться результатом восстановления углекислоты. X. Бекер нашел в продуктах горения чистого углерода в сухом кислороде боль- шое содержание окиси углерода при избытке кислорода. Он также установил, что сухой древесный уголь даже при красном калении восстанавливает сухую двуокись углерода очень медленно. Отсюда он сделал вывод, что окись углерода является первичным продуктом горения углерод;!. ,3. Лэнгмюр изучал взаимодействие графитированного углерода с кислородом при очень глубоком вакууме и пришел к выводу о существовании сложного комплекса СТО„ даже при высоких температурах. Первичным продуктом разложения ком- Рис. 71. Зависимость состава газа от линейной скорости дутья для различных углей (по Гродзовскому и Чухапову). Скорость вычислена для холодного дутья на свободное сечение трубки. илекса Лэнгмюр считает двуокись углерода, а окись углерода рассматривает как вторичный продукт, образующийся по реакции: C.r ' _vCO; = CJ.O// +гСО. Л. Мейер подобно Лэнгмюру изучал реакции взаимодействия углерода с кис- лородом при очень низких давлениях кпелорота, пропуская газы через реакцион- ный сосуд с большой скоростью. Механизм горения углерода Л. Мейер представляет следующим образом: две молекулы кислорода глубоко проникают в кристаллическую решетку графита, где удерживаются остаточными валентностями углерода и растворяется. При столкно- вении третьей молекулы кислорода из газовою пространства с углеродом, не заня- тым растворенным кислородом, протекает реакция: 4С -f- ЗО2 = 2СО« д- 2СО ^отношение = 1 j, т. е. четыре углеродных атома с двумя сорбированными -молекулами кислорода и третьей молекулой из газового пространства выделяются из кристаллической ре- Ваг. Я610. Общая хгтмич. технология топлива. 161
шетки графита, давая при этом две молекулы двуокиси и две молекулы окиси угле- рода. Эта реакция протекает при температурах до 1200°. П(ри температурах выше 1600° протекает реакция: ЗС + 2О2 = СО2 -F 2СО (отношение = 0,5^. В интервале температур от 1200 до 1600° соотношение между окисью и дву- окисью углерода неустойчивое; углерод в этом интервале температур меняет свой- ства своей решетки («графитируется»). Опыты Гродзовского и Чуханова показали, что с увеличением скорости дутья в газе растет содержание СО и, начиная с некоторой величины скорости, состав газа остается постоянным (рис. 71}. Факт увеличения СО в газе с ростом скорости дутья, т. е. при уменьшении времени контакта; СОг с раскаленным углем, указы- вает по мнению авторов на образование СО наряду с ССЪ как первичного газооб- разного продукта при образовании углеродно-кислородного комплекса. Из указанных трех гипотез процесса горения углерода можно счи- тать наиболее правильной третью гипотезу промежуточного образова- ния сложного углеродно-кислородного комплекса с последующим обра- зованием из этого комплекса первичных газообразных продуктов — двуокиси и окиси углерода. Процесс газификации твердого топлива По вопросу о характере первичных реакций взаимодействия водя- ного пара с раскаленным углеродом твердого топлива также суще- ствуют три гипотезы: 1. Единственным первичным продуктом этой реакции является дву- окись углерода, образующаяся по реакции: С + 2Н2О = СО2 + 2Н2. 2. Окись углерода является единственным первичным продуктом той реакции, которая идет по уравнению: С+ НЮ = СО + Н2. 3. При взаимодействии водяного пара с раскаленным углеродом твердого топлива одновременно образуются двуокись и окись угле- рода по уравнениям: С -j- Н2Опар == СО 4" Н2 С -j- 2Н20п»р = СО2 2Н2 2С + ЗНаО = СО 4- СО2 4- зн2 / Однако пока нет достаточного фактического материала для оконча- \ тельного ответа на вопрос о характере первичных газообразных про- дуктов окисления углерода водяным паром. В восстановительной зоне газогенератора находится уже подгото- вленное топливо, в основном содержащее нелетучий углерод и золу топлива, т. е. коксовый остаток. /и. Таким образом в окислительной и восстановительной зонах проте- кают гетерогенные реакции между твердым углеродом кокса и газами и гомогенные реакции между отдельными газами, как, например: СО + Н2О СО24-НД; СО4-ЗН2 СН44-Н2О; 2СО-4-О, 2СО2.' Зола кокса (в зависимости от состава) может оказывать каталити- ческое действие на протекание тех и других реакций. В слое топлива в обычных газогенераторах, работающих при не- больших скоростях газового потока (0,1—0,2 м./сек}, в конце окисли- 162
тельной зоны в газах содержится большое количество двуокиси и не- большое количество окиси углерода. Двуокись углерода, образовавшуюся в окислительной зрне, необ- ходимо восстановить в окись углерода в вышележащем слое топлива для получения горючего генераторного газа. Наличие восстановитель- ной зоны в газогенераторе необходимо не только для восстановления двуокиси углерода, но и для разложения водяного пара; прн этом раз- меры зоны восстановления должны обеспечить необходимое время кон- такта газов с углеродом кокса для достаточно полного протекания этих реакций- Тепловой эффект и химическое равновесие основных реакций газогенераторного процесса . Величина теплового эффекта зависит от того, происходит ли реак- ция -при постоянном объеме или при постоянном давлении. Зависимость между теплотой реакции при постоянном давлении и теплотой реакции при постоянном объеме выражается уравнением: Qp = Q,.~&nRT, (39) где Qp — тепловой эффект реакции при постоянном давлении; Qv — тепловой эффект реакции при постоянном объеме; Д„—приращение числа молекул газа после реакции. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры выражается уравнением: Qp = Q7/o+ р 7 J-j- ..., (40) где Qfi0 — тепловой эффект реакции при абсолютном нуле, а аТ _|_ + ... — разница теплоемкостей исчезающих и образую- щихся веществ. Тепловой эффект основных реакций. газогенераторного процесса приведен в табл. 43. ТАБЛИЦА 43 Тепловой эффект основных реакций газогенераторного процесса 1 Реакции Тепловой эффект реак- ций (при 25°) в кал Реакции Тепловой эффект реак- ций (при 25°) в кал ИС-)- о, = со2 4- 94 300 2СО ••)- О2 = 2СО, 4- 136.300 V 2С + О2 = 2СО + 52 300 2Н, 4- О, = 2Н,0 4-115700 «/с + н2о = со + н.. -31 700 СО 4- Н,0 = СО, 4- Н, 4- юзоо ,/С + 2НгО = СО, + 2Нг -214)0 СН4=С4-2Н2 — 17 000 С + СО, = 2СО — 42 000 СО 4- ЗН, = CHt 4- н,о 4- 48 700 1 Количества вступающих в реакции веществ даны в кг-молях. Для обратимой реакции: mA nA рС -f- qD зависимость между константой равновесия, выраженной через концен- трации реагирующих веществ К.с, и константой равновесия, выражен- ной через парциальные давления Кр, следующая: Ke = Kp(RTfn, (41) п* 163
где Д „ = /? + </— (m — п) есть разность между числами молекул в пра- вой и левой частях уравнения реакций. Если реакция протекает без изменения объема, то ' 02) Изменение газовой смеси, образующейся по реакции: СОз + С 2СО, приведенной в табл. 44, показывает, что с повышением температуры содержание окиси углерода в смеси резко возрастает. ТАБЛИЦА 44 Состав газовой смеси (в °/0 объемн), образующейся по реакции СО» Температура в LC Опьиы Вудуара Опыты Рида и Уилера. со.. СО со2 со 450 97,8 650 60,2 39,8 . — — 700 41,3 58,7 — 750 24,1 75,9 — . 800 12,4 87,6 . 13,8 86,2 850 5,9 94,1 6,9 93,1 900 2,9 97,1 3,4 96,6 950 1,2 98,8 1,7 98,3 1000 0,9 99,1 0,95 99,05 ТАБЛИЦА 45 Равновесный состав воздушного газа (в °/0 объемн.) Температура в °C со2 СО N, СО СО»-ЬСО ’100 650 10,8 16,9 72,3 61,0 800 1,6 31,9 66,5 95,2 900 0,4 34,1 65,5 98,8 1000 0,2 34,4 65,4 99,4 При получении газа па' воздушном дутье в газогенератор вместе с кислородом воздуха поступает азот. Расчетный равновесный состав воздушного газа, состоящего из СО, СО? и Ns, приведен в табл- 45. Вычисление равновесного состава -воздуш- ного газа производится по уравнениям: = Р ’ 4,76+"a (43) „ 2а с0’4,76 + а ’ ( где а — количество молей СО?, прореагировавших по реакции СО? + С = 2СО. Величина а определяется из уравнения: 1 + Л) + 3'76 7 — 4>76 = 0. (45) Разбавление смеси СО и СО? азотом, т. е. понижение парциальных давлений газообразных окислов углерода, сдвигает равновесие в сторону образования окиси углерода. 164
Значения константы равновесия реакции: • СО 4- Н»О СО,. + Н2, полученные Ганом и Нейманом и Келером при опытах, а также значения констант равновесия, вычисленные Ганом по уравнению Вднт-Гоффа: In К = \ const, (4fi) приведены в табл. 46. В табл. 47 приведен состав газовой смеси, образующейся по реакции: СН, - С + 2Н». ТАБЛИЦА 46 Значения константы равновесия реакции СО + Н2О СО>[ Н > Температура в °C По Нейману и Келеру По Гану опытные данные вычисленные значения 355 0,0534 399 0,0840 — — 454 0,140 — - 515 0,225 — 576 0,337 — — 630 0,452 — - 68'6 0,598 0,534 0,57 786 0,884 0,8 0 0,86 886 1,24 1,197 1,19 986 1,61 1,571 1,з5 1005 - 1,620 1,62 1086 1,956 1,91 1205 — 2,126 2,33 1405 2,490 2,94 ТАБЛИЦА 47 Состав газовой смеси, образующейся по реакции CHt - - С + 2Н2 (в % объемн.) Тс мпература в °C СН4 Нз Температура 1 в °C сн4 н2 300 96,90 3,10 567 41,26' 58,74 400 86,16 . 13,84 600 31,68 68,32 475 69,86 30,14 700 11,07 88,93 500 62,53 37,47 800 4,41 95,59 506 60,71 39,29 1000 0,50 99,50 536 550 51,16 46,69 48,84 53,31 1100 0,20 ТАБЛИЦА 4 99.8Q 8 Зависимость равновесного состава газа от давления (в % объемн.) Составные части газа Давление гг зовой смеси в ат при 700° 1 25 50 со2 14,2 39,6 45,1 СО 40,2 15,6 11,8 сн, 1,6 16,3 20,1 Н2 44,6 28,5 23,0 165
С повышением температуры равновесие сдвигается вправо, т. е, происходит раз- ложение метана. При повышении температуры в зоне сухой перегонки газог<йера- торов часть метана, содержащегося в швельгазе, может подвергаться термическому разложению. При высоких давлениях -в газогенераторе наблюдается заметное образование метана, протекающее с уменьшением объема. В табл. 48 приведены ддя сравнения равновесные расчетные данные о составе газа для давления 1,25 и 50 ат при температуре 700° и парокислородном дутье. Состав газа подсчитан, исходя из предположения, что в газогенераторе одно- временно протекают следующие три реакции: COS+C Jit 2СО; СО + Н2О jzi СОз4-Н2; СО + ЗН2 сн4+н2о. Для определения состава газа требуется решение системы уравнения с 5 неиз- вестными: к - ... _ Ао' А.о Ао.-А, „ = ?со P^-Pw 2 Ан, + А.о + A, P„s0 _ 2Ао, + А,о 4' Ao — 2Р'о, + Рн?0 “ Ао + Ао, + А, г А,0 + Ан, — Р- (47) (48) (49) (50) (51) Здесь Р'н>0 и P'Q* — парциальные давления водяного пара и кислорода в дутье. Решение уравнений производится методом подбора, задаваясь величиной пар- циального давления одного из компонентов газовой смеси (РОа). На практике состав получаемого газа обычно отличается от равновесного, так как время пребывания газа в реакционной зоне меньше времени, потребного для установления равновесия. Основы кинетики химических реакций газогенераторного процесса Скорость гетерогенных реакций, протекающих в газогенераторе, за- висит как от скорости самого химического взаимодействия углерода с газифицирующим реагентом, так и от скорости подвода последнего к поверхности углерода. Если при некоторых определенных условиях наиболее медленной стадией процесса является сама химическая реакция (химическое взаи- модействие), то скорость суммарного процесса определяется истинной кинетикой данной химической реакции. Совокупность условий, при ко- торых наблюдается такая закономерность протекания процесса, носит название кинетической области. Скорость химической реакции быстро возрастает с повышением тем- пературы. Зависимость скорости реакции от температуры определяется уравнением Аррениуса 1пАГ= 4 + 1пК0, (52) где Е — энергия активации; Ко — константа максимальной скорости реакции, когда все моле- кулы обладают необходимой энергией для вступления в химическую реакцию. 166
В кинетической области реакция может иметь любой порядок и ско- рость ее не должна зависеть от линейной скорости газового потока. Если при некоторых определенных условиях скорость химического взаимодействия значительно больше скорости диффузии газифицирую- щего реагента к поверхности углерода, то скорость суммарного про- цесса определяется законами вынужденной диффузии. Совокупность условий, при которых наблюдается такая закономерность протекания процесса, носит название диффузионной области- Если скорости химического взаимодействия и диффузии близки, то процесс протекает в так называемой переходной области. Процесс диффузии подчиняется закону Фика: dm = - D • F • • dt, (53) dx ' ’ где dm — количество вещества, диффундирующего в течение времени eft через слой dx к поверхности F при разности концен- траций de; D — коэфициеит диффузии. Около поверхности углерода при омывании его потоком газа обра- зуется тонкий ламинарный слой газа, через который газифицирующий реагент может достигнуть поверхности углерода только посредством диффузии. В окислительной зоне газогенератора кислород поступает к внеш- ней границе ламинарного слоя с концентрацией Со. Так как скорость химического взаимодействия углерода с кислородом при высоких тем- пературах очень велика, то концентрация кислорода у поверхности угле- рода Cw мала и кислород из газового потока поступает через ламинар- ный газовый слой к поверхности углерода. Уравнение Фика дли случая горения углерода можно написать следующим об- разом: dm = ~D- F dt, (54) 5 где F —поверхность углерода; g — толщина ламинарного слоя; €й и Сю — концентрации кислорода в газовом потоке и на поверхности углерода. Скорость газового потока сильно влияет на скорость диффузии, определяющей во времени процесс взаимодействия углерода с кислородом. Толщина ламинарного слоя около твердой поверхности (для случая цилиндри- ческой поверхности) определяется следующей зависимостью: 8 = а d • Re~^, (55) где а —постоянная; d —диаметр цилиндра; w • t/o ’ Re — число Рейнольдса (Re — - ' ). где w —скорость газа, р — плотность газа, ц—вязкость газа). Таким образом, с увеличением скорости газового потока толщина ламинарного слоя уменьшается пропорционально увеличению скорости газа в степени 0,6—0,8. Величина числа Рейнольдса указывает на ламинарный или турбулентный харак- тер газового потока. Зависимость скорости реакции от температуры в диффузионной области опре- деляется изменением величины коэфициента диффузии с температурой: Л-О.(Д. <»> где п изменяется от 1,5 до 2. Таким образом, зависимость скорости реакции от температуры в диффузионной области значительно слабее, чем в кинетической области, где эта зависимость опре- деляется законом Аррениуса. 167
Технические основы получения генераторных газов протекания Основные факторы, влияющие на процесс газификации твердого топлива К основным факторам, определяющим протекающие в газогенера- торах процессы, следует отнести: скорость и характер газового потока и свойства топлива, а также конструкцию и размеры газогенератора- Большое влияние на газогенераторный процесс оказывает темпера- тура в реакционных зонах, но она является функцией указанных выше факторов. Для окислительной зоны газогенератора, где протекают реакции взаимодействия углерода с кислородом дутья, наибольшее значение имеют скорость газового потока и концентрация в нем газифицирую- щего реагента. В восстановительной зоне газогенератора на скорость реакции большое влияние оказывает температура зоны. Опытные значения температурного коэфициента А/ сти восстановления двуокиси углерода древесным углем в табл. 49. При повышении темпера- туры с 900 до 1100° скорость реакции возрастает приблизительно в 175 раз. Так как температурный режим в шахте газогенератора зависит в силь- ной степени от скорости газового потока и концентрации в нем кисло- рода и водяного пара, то эти факто- ры в значительной мере определяют и протекание реакций в восстанови- тельной зоне. Важным фактором, влияющим на работу газогенератора, являются свой- ства самого топлива: его реакционная способность, размер частиц, содержа- следней и, наконец, поведение топлива для скоро- приведены ТАБЛИЦА 49 Скорость восстановления двуокиси углерода древесным углем Во сколько Температур- Значения раз увели- ный интер- ^/4-10° чивается вал в °C к+ скорость реакции 900—950 1,44 6,2 950—1000 1,36 4,6 1000-1050 1,27 3,3 1050--1100 1,13 1,86 ние влаги и золы и состав по при нагревании. Реакционная способность коксового остатка топлива Реакционная способность коксового остатка топлива, т. е. скорость его взаимодействия с тем или иным газифицирующим реагентом, с по- вышением температуры возрастает. Наибольшей реакционной способ- ностью обладают: торфяной кокс, древесный уголь и полукокс, полу- ченный из бурых углей. Наименьшей реакционной способностью обла- дает антрацит. При высоких температурах разница в реакционной спо- собности различных видов топлива сглаживается (рис. 72). Гетерогенные реакции, протекающие при газогенераторном процессе, ускоряются с увеличением поверхности частиц топлива. Так как с уменьшением размера частиц относительная величина их поверхности возрастает, то уменьшение размера частиц топлива можно рассматри- вать как средество интенсификации газогенераторного процесса. Од- нако с уменьшением размера частиц при сохранении той же скорости газового потока происходит уже нарушение плотности слоя топлива. При нарушении же плотности слоя уменьшается относительная ско- рость омывания частиц газовым потоком, что замедляет процесс гази- фикации. 168
На практике газификация мелкозернистых топлив осуществляется в настоящее время в газогенераторах специальных конструкций, в ко- торых мелкие частицы топлива находятся в колебательном движении или во взвешенном состоянии. При этом удается достигнуть значи- тельных величин удельной производительности газогенератора \ но эти величины возрастают значительно медленнее, чем относительная по- верхность частиц топлива, с уменьшением размера частиц. При газификации крупнокускового топлива одним из основных усло- вий хорошей работы газогенератора является равномерность кусков топлива. Целесообразно перерабатывать в газогенераторе примерно следующие фракции: 15—25; 25—50 мм и т. д. Содержание 'мелочи в крупнокусковом топливе не должно превышать 10—15%; в против- ном случае нарушается равномерное протекание процесса газификации и наблюдается большой унос из газогенератора топливной мелочи. При газификации топлива с большим содержанием влаги (торф, древесина, некоторые бурые угли) необходимо обеспечить хорошую его подготовку в шахте газогенератора кого слоя топлива. В некоторых случаях может возникнуть необ ходимость предварительной под- сушки топлива до подачи его в газогенератор. Свойства золы определяют в известной мере температурный режим работы газогенератора: температура в зоне газификации не должна превышать темпера- туры плавления золы, при уда- лении последней в твердом виде. В противном случае происходит образование больших сплавлен- ных кусков шлака и налипание его на стенки газогенератора (образование настылей), что на- рушает работу газогенератора и приводит к большим потерям пе- стревшего углерода в кусках шлака. Особенно большие за- труднения при шлаковании воз- никают при работе с многозоль- путем создания достаточно высо- 0 1 2 3 4. 5 6 7 8 ч Время соприкосновения в сек. Рис. 72. Влияние температуры и сорта топлива на скорость восстановления двуокиси углерода. ным топливом. При газификации топлива с удалением шлака в жидком виде тем- пература в окислительной зоне должна быть значительно выше тем- пературы плавления золы. Для облегчения плавления золы топлива (понижения температуры плавления, уменьшения теплоемкости и вяз- кости) и удаления ее из газогенератора применяются различные мине- ральные добавки к топливу, называемые флюсами. Газификация спекающихся углей представляет большие трудности, так как в шахте газогенератора, обычно в зоне температур 350—450°, уголь переходит в тестообразное, пластическое состояние и образует своды, препятствующие прохождению газового потока. Поэтому необ- ходима постоянная шуровка или присадка к спекающимся углям «то- щих» добавок. 1 Под удельной производительностью газогенератг ра понимают количеств» то- плива, перерабатываемого иа единицу поперечного сечения или па единицу объема шахты газогенератора (последнее является более показательной величиной). 169
Наряду со спекаемостью неблагоприятным фактором для газифика- ции является свойство некоторых углей (особенно бурых) легко рас-, трескиваться и рассыпаться в зонах высоких температур. При этом сопротивление слоя топлива прохождению газа по сечению газогенера- тора становится неравномерным, что приводит к местным прорывам газа (прогарам), ухудшению его состава и расстройству нормальной ра- боты газогенератора. Во избежание образования прогаров при газифи- кации легко рассыпающихся, так называемых «термически непрочных» топлив, требуется частая шуровка слоя. На газогенераторный процесс влияют также конструкция и размеры газогенератора. От конструкции газогенератора зависят условия под- готовки топлива, его газификации и золоудаления, определяющие со- став и количество получаемого газа и продуктов сухой перегонки из данного вида топлива. С увеличением диаметра шахты ухудшается равномерность распределения топлива и газового потока по сечению шахты, но зато уменьшаются тепловые потери в окружающую среду и улучшается состав газа. Улучшение состава газа объясняется умень- шением вредного действия «краевого» газа, т. е. газа, образующегося по периферии у стенок шахты газогенератора. Вследствие меньшего сопротивления слоя топлива у стенок шахты здесь имеют место явле- ния, аналогичные прогарам, которые приводят к ухудшению состава газа. Идеальные генераторные газы Газовая смесь, состоящая исключительно из горючих компонентов (балластом является только азот воздуха), называется идеальным ге- нераторным газом. Такой газ должен был бы образоваться при взаимо- действии чистого углерода с газифицирующими реагентами. Рассмотрение идеальных процессов газификации позволяет дать сравнительную оценку различных практических методов1 получения гене- раторных газов. Воздушный газ является продуктом реакции взаимодействия угле- рода с сухим воздухом. Суммарный процесс образования идеального воздушного газа мо- жет быть выражен следующим уравнением: 2С 4- О., 4- 3,8N2 = 2СО 4- 3,8N2 4- 52 300 кал. (57) Состав воздушного газа определяется уравнениями: СО = э 238 • 100 = 34,5% объемн. (58) N2 = • 100 = 65,5% объемн. (59) Z “Г О,о Коэфициеит полезного действия газификации — отношение тепло- творной способности газа к теплотворной способности затраченного топлива 136300 70 00/ ,сп\ 94300-2 ’ 72,3/0. (60) Таким образом при работе на воздушном дутье даже при идеальном процессе мы можем получить в виде химически связанного тепла в газе только 72,3% тепла, заключенного в топливе. Количество воздушного газа, образующееся из 1 кг углерода: 22,4 >7^=5,41 (61) 170
Теплотворная способность 1 л<3 воздушного газа: 136 300 । «гл Q — о к 1 050 кал!мл. 1 <£ * Z * и, * 1 Суммарный процесс образования идеального во- дяного газа выражается уравнением: С + Н2Опа,. = СО 4- Н2 — 31 700кал. (62) Состав водяного газа: СО = - • 100 =» 50% объемы.; На = у • 100 = 50% объемы. Коэфициеит полезного действия газификации (по тепловому эффекту реакций горения СО, На и углерода): , _ (136 300:2)+ (115 700: 2) — 94 300 + 31700 т. е. при идеальном процессе получения водяного газа мы могли бы все тепло, заключенное в топливе (углерода), перевести в химически свя- занное тепло водяного газа. Количество идеального водяного газа, образующееся из 1 кг угле- рода, вступившего во взаимодействие с водяным паром, выразится: 22,4 • = 3,73 м\ Теплотворная способность 1 л<8 идеального водяного газа будет: Полуводяной газ может быть получен при взаимодействии углерода со смесью воздуха и водяного пара по следующим уравне- ниям: 2С + Оа + 3,8N2 = 2СО % 3,8N2 4- 52 300 кал; (63) С -4 Н2О„аР = СО 4- Н2 -31 700 кал. (64) Состав идеального полуводяного газа определяется из условия «те- плового равновесия», т. е. равенства экзотермического и эндотермиче- ского тепловых эффектов этих реакций. Для соблюдения этого условия на 2 кг-мол углерода, вступающего в реакцию с воздухом, должны вступить в реакцию с водяным паром • 52 300 , -с 5—- = 1,65 кг-мол углерода. 01 /ии В результате взаимодействия 3,65 кг-мол углерода с паровоздушной смесью получится: 3,65 моля СО 4-1,65 моля Н2-(-3,8 моля N2 = 9,10 моля газа. Состав идеального полуводяного газа: СО = 100 = 40,1% объемн.; Н2 = ^- 100 = 18Л% объемы.; Ы9 = ^- 100 = 41,8% Объемн. 171
Коэфициент полезного действия газификации выразится: 136300 t 115700 3,65—----J- 1.65 —ъ- ------------- — • 100 1000/ 94300-3,65 ivu-iuu,,,. Количество идеального полуводяного газа, образующееся из I кг углерода, равно: 22,4-р^7 = 4,65 12-3,65 Теплотворная способность 1 ж3-газа: Qhhsiu. 136 300 3,6а —2- т 1,65 115 700 2 3,65- 12-4,65 = 1685 /сал/л/:!. Оксиводяной газ может быть получен по тем же реакциям, что и полуводяной газ. Процесс получения оксиводяного газа отли- чается только тем, что вместо воздуха подается чистый кислород, т. е. в газе отсутствует балласт (азот). В этом случае на 3,65 кг-мол углерода получается: 3,65 моля СО -ф 1,65 моля Н2 = 5,3 моля газа. Состав идеального оксиводяного газа: СО = ^? • 100 '-68,9% объемн.; Э,О Но = т= • 100 л^31,1 °/0 объемн. - 5,3 ' и Коэфициент полезного действия газификации будет тот же, что и при получении полуводяного газа, т. е. 100%- Количество идеального оксиводяного газа, образующееся из 1 кг углерода: 22,4^7^ = 2,71 лр>. ’ 12 • 3,65 Теплотворная способность 1 лг3 газа: К 1,65 — 136300 , , 115700 3,t5 —g------Ь 1160 —2~~ Qnnsra. — 3 65~1ГП 2^71 900 Промышленные генераторные газы и технические методы их получения ♦ Получаемые на практике генераторные газы отличаются по составу от идеальных газов. Во-первых, генераторные газы всегда содержат некоторое количество двуокиси углерода. Минимальное содержание СО? в газе будет определяться условиями химического равновесия, ко- торое, однако, обычно в газогенераторах не достигается и поэтому со- держание СО? в газе превышает равновесную концентрацию. Кроме того, рабочее топливо всегда содержит некоторое количество летучих продуктов, которые выделяются при его нагревании и примешиваются к газу, образующемуся из нелетучего углерода коксового остатка. Так как практически в условиях газификации топлива имеют место различные тепловые потери (в окружающую среду, с нагретыми газами, с провалом и уносом топлива и пр.), то величины коэфициента полез- ного действия газификации получаются меньше величин, вычисленных для идеальных условий. 172
Воздушный газ получается при подаче в газогенератор только воз- душного дутья. При интенсивной подаче воздушного дутья в шахте газогенератора развиваются очень высокие температуры (1400—1500 и выше), кото- рые вызывают сильное шлакование, нарушающее нормальную работу газогенератора. Кроме того, теплотворная способность воздушного газа и коэфициент полезного действия газификации даже при идельном про- цессе весьма низки. Эти причины и обусловливают ограниченное про- изводство воздушного газа в обычных газогенераторах. Воздушное дутье имеет применение в специальных газогенераторах, из которых шлак удаляется в расплавленном состоянии. Здесь высокие темпера- туры, развивающиеся в реакционной зоне, являются благоприятным фа- ктором, так как для бесперебойного удаления жидкого шлака из гене- ратора необходимо поддерживать в горне температуру не ниже 1500—1600'. Нередко для поддержания такой температуры, особенно при газификации многозольных топлив, требуется еще предварительный подогрев воздуха. В качестве примера приводим состав воздушного газа, полученного в одном из газогенераторов с жидким шлакоулалением при газификации каменноугольного кокса (в %): СО, СО’ н. 0,6 он,.......................0.5 33,4 N,.......................64,6 0,9 Низшая теплотворная способност!............ 1085 кал/м* Но и в газогенераторы с жидким шлакоудалением нередко подают водяной пар с целью обогащения газа продуктами разложения пара. Во избежание охлаждения зоны плавления шлака водяной пар вводится в шахту газогенератора примерно на 0,5 м выше места по- дачи воздуха. Вследствие затруднений, возникающих при эксплоатации обычных газогенераторов на воздушном дутье, а также низкой теплотворной спо- собности воздушного газа в качестве дутья стали широко применять паровоздушную смесь и получать полуводяной или генераторный газ. Применение паровоздушной смеси облегчает эксплоатацию газогене- ратора, уменьшая явления шлакования вследствие понижения темпера- туры в реакционной зоне; кроме того, применение паровоздушного дутья приводит к повышению теплотворной способности газа и коэфи- циента полезного действия газификации. С увеличением количества подаваемого пара степень его использова- ния уменьшается, а при большей добавке лара ухудшается и качество I аза. Из табл. 50 видно, что наивысшая теплотворная способность газа получается при расходе 0,4—0,5 кг пара на 1 кг углерода. При газификации топлива, имеющего легкоплавкую золу, во избе- жание зашлаковывания газогенератора приходится увеличивать расход водяного пара против оптимального. Газ, получаемый в газогенераторах при паровоздушном дутье, обычно называют просто «генераторным газом», реже «газом Дов- сона». Газогенераторные установки, работающие на паровоздушном дутье, наиболее широко распространены. Иногда для увеличения выхода ам- миака, образующегося в шахте генератора за счет химического взаи- модействия азота с неразложенным водяным паром, применяется по- вышенный расход водяного пара. По имени изобретателя этого метода газификации, газ носит наз- вание «газа Монда». 173
ТАБЛИЦА 50' Состав и калорийность генераторного газа при паровоздушном дутье Количество подаваемого паровоздуш- ною дутья лерода Расход уг- 59,6 25,44 74 12,18 70 2,09 56,3 13,20 64 11,08 64 1,19 58,5 0,57 10 9,8 57 0,058 101,0 25,41 65 21,82 126 1,22 113,4 13,49 52 25,45 147 0,53 98,2 1,13 13 18,42 106 0,061 148,9 24,84 58 33,59 194 0,74 147,3 14,18 48 31,40 182 0,45 152,0 1,46 10 29,55 171 0,049 * К о в ®- S и Состав газа в % объели. Q. 9 « и л X «а а> со П о О U ч н о « х WiOw грату де из в °C 9 ?,3 Е О - д' о с» X* В О Ч Л 3 о и и X и Z х 5 g Е- я 12,1 16,0 16,0 0,6 55,3 955 420 10,4 18,0 11,5 1,0 59,1 950 410 3,8 23,8 1,9 0,1 68,4 780 360 8,8 21,2 15,1 0,7 54,2 1(95 460 5,2 27,3 0,0 0,5 57,0 ИЗО 510 3,0 29,0 12,8 0,3 64,9 980 440 6,9 25,2 12,1 0,2 55,6 1095 500 3,8 27,6 9,5 0,2 58,9 1100 530 2,5 29,7 3,6 0,4 63,8 1030 550 Зависимость выхода аммиака от расхода пара на 1 кг топлива пс опытам Бона и Уилера следующая: Расход пара в кг на 1 кг угля.............. 0,45 0,55 0,80 1,10 1,55 Выход сульфата аммония в кг на 1 т угля . . 17,70 19,97 22,90 29,15 32,80 Во 'избежание резкого ухудшения качества газа при больших рас- ходах пара на 1 кг угля в процессе Монда приходится прибегать к предварительному подогреву паровоздушной смеси (в отдельных случаях до 350°). Генераторный газ, получаемый при паровоздушном дутье, в зави- симости от вида перерабатываемого топлива обладает низшей тепло- творной способностью от 1200 до 1600 кал/м* и обычно применяется для энергетических целей. В табл. 51 приведены средние показатели выработки смешанного генераторного газа из различных видов твердого топлива. В настоящее время наряду с использованием газа для энергетиче- ских целей быстро развивается и использование его для технологиче- ских нужд в качестве сырья для химического синтеза: синтетического аммиака, искусственного жидкого топлива и др. В этих случаях при- меняется водяной газ, состоящий в основном из окиси углерода и во- дорода с небольшой примесью инертных газов (СОг и N>) и метана. Водяной газ используется также и для снабжения населения в смеси со светильным или другим высококалорийным газом в виде так называемого «городского газа» с теплотворной способностью около 4000 кал/м3. Наконец водяной газ находит применение для высокотемпературных огневых процессов, например для сварочных работ и др. Для осуществления процесса получения водяного газа необходим подвод тепла в шахту газогенератора. 174
. ТАБЛИЦА ST Средние показатели выработки смешанного генераторного rada из разных _ _ ВИД°В твердого топлива Показатели Древес- ная щепа | Торф Челябин- ский бу- рый уголь Донецкий газовый уголь Донецкий антрацит AM, АС Состав сухого газа в % объемн. СО2 6-7 6-8 6-8 4-5 3-5 СО 28-30 27-29 23—27 23—27 27—29 СЩ. . • 2,5-3 2,5-3 2,5-3,5 2,5-3 0,5-0,7 СяНот .... 0,3—0,4 0,3-0.4 0,3-0,4 0,3 0,1 На 13—15 15-18 16-17 12-14 13—15 Оа От 0 до 0,3 Na 46—48 43—47 45-48 53-55 53-55 Теплотворная способность газа — - - -- - - - - — кал)м3 1400—1550 1450-1600 1400—1500 1250-1400 1150—1250' Выход сухого газа из 1 кг топлива в м3 1,2-1,6 1,4-1,7 1,8-2,2 3,0-3,5 3,8—4,2 Расход пара в кг на 1 кг топлива 0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 Удельная производительность по топливу (напряжение по- перечного сечения шахты) в кг1м- час : газогенератор с вращающейся колосниковой решеткой . . газогенератор с неподвижной 500-600 400450 250 300 230—280 150- 200 70—100 решеткой 300—350 200—250 — 100-130 Это может быть осуществлено тремя способами: 1. Путем наружного обогрева шахты. Слишком малая теплопередача через стенку из огнеупорного материала сильно ограничивает приме- нение наружного обогрева в газогенераторах водяного газа; этот способ практически используется лишь в некоторых опытных установках по получению водяного газа из мелкозернистых и пылевидных сортов топлива. 2. Путем накопления тепла в самой шахте газогенератора посред- ством продувания слоя топлива воздухом. В период воздушного дутья в шахте газогенератора развиваются высокие температуры. Затем воз- душное дутье прекращают и подают в газогенератор водяной пар. В процессе образования водяного газа поглощается тепло, аккумули- рованное слоем топлива за период воздушного дутья. После пониже- ния температуры слоя до известного предела подачу пара прекращают и вновь продувают газогенератор воздухом. Именно этот способ ра- боты и дал возможность широкого практического осуществления про- цессов производства водяного газа. 3. Путем подвода необходимого количества тепла в шахту газо- генератора с газифицирующими реагентами. Этот наиболее новый спо- соб может быть осуществлен двояко: 1) необходимое количество тепла, получается за счет подачи в газогенератор кислорода в смеси с водя- ным паром; 2) необходимое количество тепла вводится в газогенера- тор нагретой смесью водяного пара и циркуляционного газа. 175.
Преимущество этого способа подвода тепла .заключается в воз- можности ведения непрерывного процесса получения водяного газа и п постоянстве режима работы газогенератора. Периодический способ производства водяного газа Количество тепла, аккумулируемое в шахте газогенератора при го- рячем (воздушном) дутье, связано с увеличением содержания угле- кислоты в получаемом при этом газе. Чем больше содержание угле- кислоты в газе, тем больше аккумулирующее действие воздушного дутья. Чем выше температура отходящего газа, тем меньше аккумули- рующее действие воздушного дутья. В табл. 52 приведены результаты опытов по определению содержа- ния СОг в газе горячего дутья в зависимости от средней температуры в шахте газогенератора. С повышением темпецатуры содержание СОг в газе быстро уменьшается; отсюда можно сделать вывод, что выгодно работать при низких температурах. Однако работа газогенератора во- дяного газа определяется не только фазой горячего дутья, но еще и фазой холодного (парового) дутья, во время которого происходит обра- зование водяного газа. Во время холодного дутья с повышением тем- пературы количество СОг в водяном газе и количество неразложен- ного (неиспользованного) водяного пара уменьшаются, т. е. повышение температуры является благоприятным фактором. ТАБЛ1ШЛ 52 Содержание СО2 в газе горячею дутья Продолжитель- ность дутья в ! МИН. ' Скорость дутья 1,67 м/сек, высота слоя топлива 2,2 м Скорость дутья 4,08 м/сек, высота слоя топлива 1,2 м температура в °C содержание СО2 в% объемн. температура в °C содержание СО2 в°/0объемн. — - 1 685 18,0 580 15,0 2 720 15,0 680 12.0 3 780 12,4 78) 8,0 4 795 10,8 800 6,0 5 870 8,5 1230 4.5 6 905 7,2 1275 4,3 10 970 5,8 1295 4,2 12 1010 5,6 1320 4,1 Величина коэфициента полезного действия газогенератора за от- дельные фазы горячего и холодного дутья и за весь цикл в зависи- мости от средней температуры внутри газогенератора и скорости водя-и ного пара меняется. При постоянной температуре в газогенераторе^) с увеличением скорости подачи водяного пара количество СОг в водя- ном газе и количество неразложенного пара увеличиваются; для умень- ' шения содержания СОг и количества неразложенного пара одновре- менно с увеличением скорости подачи водяного пара необходимо по- вышать температуру в газогенераторе. | Для обеспечения хорошего качества водяного газа и хорошего J использования водяного пара в современных мощных газогенераторах । водяного газа, работающих при больших скоростях воздушного и па- ) рового дутья, поддерживают высокие температуры. Все же, несмотря на это, газ горячего дутья содержит значительное количество СОг, так как вследствие очень больших скоростей воздушного дутья (в 8—9 раз 176
превышающих скорости парового дутья), СОг не успевает восстанавли- ваться до СО. Тепло газа горячего дутья, которое остается неиспользованным не- посредственно в процессе газификации, используется в аппаратах для производства и перегрева водяного пара При подаче в газогенератор перегретого водяного пара часть тепла, вынесенного из газогенератора с газом горячего дутья, вновь возвра- щается в него с водяным паром. Перегрев пара улучшает условия^ образования водяного газа и позволяет увеличить продолжительность! фазы холодного дутья по отношению к продолжительности фазы горя-1 чего дутья. В газогенераторах водяного газа в период воздушного дутья стре- мятся к получению газа горячего дутья с минимальным содержанием СО и максимальным СОг. Здесь решается задача, обратная той, кото- рая осуществляется в обычных газогенераторах смешанного газа, по- скольку газ горячего дутья не поступает к потребителям, а обычно используется на самой газогенераторной станции для производства и перегрева водяного пара, необходимого для фазы холодного дутья, или выпускается в атмосферу. ( / с >1 < s ? -> Воздушное дутье в газогенераторах водяного газа подается снизу, а газ горячего дутья отводится сверху. Паровое же дутье обычно под- водится в газогенератор попеременно то снизу, то сверху, а водяной газ отбирается соответственно то вверху, то внизу (под колосниковой решеткой). После подачи воздушного дутья пространство под колосни-1 ковой решеткой во избежание образования гремучей смеси_ из воздуха I и поступившего сверху вниз водяного газа необходимо продувать снизу i паром. "Подача 'пара в~ одНой"направлении сверху вниз приводит «w «“сильному перегреву колосниковой решетки. В газогенераторах водя- И ного газа новых систем применяется указанный в табл- 53 режим ра- 1,1 боты (цикл из 4 фаз и 2 продувок). ТАБЛИЦА 53 Режим работы газогенератора водяного газа на коксе Фазы процесса Продолжи- тельность отдельных фаз в сек. Место подачи дутья Место отбора газов Назначение газа воздуха ВОДЯНОГО пара Горячее дутье 66 Внизу — Вверху Газ горячего дутья Продувка паром 4 — Внизу V То же Холодное дутье снизу . . 78 —. Водяной газ Холодное дутье сверху . . 72 — Вверху Внизу » » Холодное дутье снизу . . 16 — Внизу Вверху п » Продувка воздухом .... 4 Внизу —— » V Продувка паром и воздухом имеет целью вытеснение из газогене- ратора газов, оставшихся в нем от предыдущей фазы. При продувке паром вытесняемый газ присоединяется к газу горя- чего дутья, а при продувке воздухом — к водяному газу. Вторичное холодное дутье снизу перед подачей воздуха осуществляется во избе- жание образования гремучей смеси под решеткой газогенератора. Соотношение продолжительности отдельных фаз работы газогенера- тора водяного"Т^й”завйсйТ~от вйдй'тоаййва; 'температуры перегрева водяного пара и производительности газогенератора? Малая продолжительность отдельных фаз обеспечивает более рав- номерный температурный режим и качество получаемого газа, так как 12 Зак. 3610. Общая химия, технология топлива. 177
в течение каждой фазы состав газа непрерывно изменяется. Однако кратковременные фазы могут быть осуществлены только на газогене- раторных установках, имеющих автоматическое управление газовыми, воздушными и паровыми шиберами. I На небольших установках при ручном управлении шиберами про- 5 должительность отдельных фаз и всего цикла значительно больше, при- i близительно от 6 до 10 мин. Изменение содержания СОг и неразло- I жившегося пара в водяном газе в зависимости от продолжительности J холодного дутья приведено в табл. 54. ТАБЛИЦА 54 Изменение содержания СО2 и неразложенного пара в водяном газе в завнснмостн от продолжительности дутья Скорость прохожде- ния пара в мм]сек Время от начала фазы в мин. Температура в °C Содержание в водяном газе в % средняя в газогенера- торе ВОДЯНОЙ газ со2 неразложен- ный пар 31,8 1 860 390 2,2 4,0 3 850 390 2,7 10,0 6 816 365 4,5 22,0 67,1 1 900 470 5,0 14,3 3 880 478 6,9 27,9 6 830 475 9,4 48,9 153,5 1 945 690 4,4 8,6 3 910 650 6,8 41,3 6 865 620 8,7 48,6 Ниже приводится средний состав газа (в %), получаемого при гази- фикации кокса и антрацита в современных газогенераторах водяного газа. Водяной газ СО2....................5—7 СН4............... СО.................. 38—40 N2 . . . . • . . . . Н*.................. 47—50 <?низш. ......... Газ горячего дутья СО2.................13—16 СО...................7—12. Н2..................2—4 0,5—0,8 4-5 2400—2600 кал!м~ . 72-74 ~300—400 кал!мл N2. . Фнизш Коэфициент полезного действия газификации составляет од 60— 65%; с учетом использования и химически связанного тепла газа горя- 0 (; чего дутья на производство в перегрев водяного пара термический '• коэфициент полезного действия достигает 75%. Двойной водяной газ получается при газификации битуминозных топлив, выделяющих большое количество летучих, и представляет со- бой смесь водяного газа, полученого из коксового остатка данного топлива, и газообразных продуктов его сухой перегонки, обогащающих водяной газ. Во избежание больших потерь продуктов сухой перегонки газогенераторы двойного водяного газа снабжаются специальной швелькамерой, помещаемой внутри основной шахты газогенератора. Газ горячего дутья в первом случае омывает снаружи швелькамеру 178
(реторту), обогревая ее, а во втором случае отводится из газогенера- тора и подножия швелькамеры (швельшахты). Водяной газ, образую- щийся в нижней части основной шахты газогенератора, в обоих слу- чаях проходит через швелькамеру, где смешивается с швельгазом и отводится из газогенератора вверху через специальный патрубок- Схема получения двойного водяного газа изображена на рис. 73. При работе с сильно влажным топ- ливом (бурые угли, торф) физическо- го тепла водяного газа, поступающего снизу в швельшахту, может оказаться недостаточно для отгонки летучих продуктов и подсушки топлива. В этом случае необходим подвод в швель- шахту дополнительного количества тепла путем подачи в газогенератор (ниже швельшахты) перегретого во- дяного пара или нагретого циркуля- ционного газа. Примерный состав двойного водя- ного газа из битуминозного камен- ного угля (в %).- • • •.............оо,и СН*.....................7,0 CnHMi...................0,5 Н2.....................48,0 N2......................5,5 Спизш................ 2930 кал1м* Рис. 73. Схема получения двой- ного водяного газа: 1 — газогенератор; 2 — регенератор. Непрерывный способ производства водяного газа Непрерывный способ производства водяного газа в промышленно- сти осуществляется путем введения в газогенератор вместе с водяным паром кислорода. Этот газ отличается от водяного газа (периодиче- ского процесса) повышенным содержанием окислов углерода и пони- женным содержанием водорода и носит название оксиводяного газа. При опытной газификации подмосковного угля на парокислородном дутье был получен следующий состав оксиводяного газа (в %): со» СО н2 сн* 20,0 СпНвг........................0,5 31,0 О2...........................0,2 37,5 ' N2..............................3,8 5,0 H,S..........................2,0 Температура насыщения парокислородной смеси колеблется от 89 до 95°; с повышением температуры насыщения смеси, т. е. с увеличе- нием содержания в ней водяного пара, быстро понижается темпера- тура реакционных зон в газогенераторе и увеличивается содержание СОя в газе. В зависимости от назначения газа может применяться как техни- чески чистый кислород (97—98% Ог), так и обогащенный кислородом воздух (до содержания 60—80% Оз). Этот способ производства водяного газа осуществляется в настоя- щее время только на заводах химического синтеза, где кислород является побочным продуктом производства. При подводе тепла извне парогазовой смесью (смесью водяного пара и циркуляционного газа) последняя нагревается предварительно в регенеративных теплообменниках. Часть полученного водяного газа )2* ч 179
отводится из газогенератора ниже швельшахты. Другая часть прохо- дит через швельшахту, где смешивается с продуктами сухой перегонки. Водяной газ, отбираемый из нижней шахты, частично направляется потребителю; другая часть газа насыщается водяным паром и заби- рается эксгаустером для повторной подачи в газогенератор вместе с газом, полученным из швельшахты. Перед поступлением в газогене- ратор парогазовая смесь проходит через регенеративные теплообмен- ники, где нагревается до 1250—1300°. Состав газа, отбираемого из нижней шахты (в %): СО2 СО Н, 10,1 33,6 54,2 CHt......................0,4 N2.......................1,7 <?низш...................2490 кал!я* Небольшое содержание в газе метана позволяет использовать этот газ для целей синтеза. Остановимся еще на одном возможном способе подвода тепла в шахту газогенератора — посредством электрического тока. В шахту газогенератора в нескольких ярусах по высоте слоя вве- дены электроды, включенные параллельно в электрическую цепь. Электрический ток проходит по всему слою топлива, причем между кусочками угля образуются маленькие вольтовы дуги; при этом то- пливо разогревается до очень высоких температур. Как видно по составу (в %), получается водяной газ очень высо- кого качества: со» СО н„ ........................1,0......................О,...0,1 . . . •...............................................47,9 <?низш . 2760 кал/м3 Однако электрогазогенераторы эксплоатируются пока только на одном норвежском заводе, так как расход электроэнергии велик, составляя 1,4—1,6 квт-ч на 1 м3 газа. Газификация мелкозернистого топлива Описанные выше способы производства генераторного и водяного газа были рассмотрены для случая работы газогенераторов на куско- вом топливе различных фракций (начиная от 6—10 мм и выше), лежа- щем в шахте газогенератора плотным слоем различной высоты (начи- ная от 0,9—1,0 м и выше). Однако во многих случаях весьма важно получить возможность использования для целей газификации не только крупнокускового, но и мелкозернистого топлива (от пыли до 6—10 мм). Основной целью газификации мелкозернистых топлив является использование наиболее дешевых сортов топлива (угольная мелочь, фрезерный торф и др.). До сего времени получили практическое применение только единич- ные способы газификации мелкозернистого топлива и то в ограничен- ном масштабе. Основное затруднение при газификации пыли и мелочи заключается в невозможности создания плотного слоя топлива в шахте газогенера- тора, так как при больших скоростях газового потока частицы то- плива, не прореагировав, выносятся из газогенератора. Необходима ор- ганизация равномерного процесса газификации в подвижном слое топ- лива. Наиболее разработан и осуществлен в промышленном масштабе способ Винклера. Принцип работы газогенератора Винклера (рис. 74) заключается в подаче вентилятором / дутья снизу под таким давлением и в таком 180
количестве, что весь слой мелкозернистого угля находится в сильном колебательном движении ведет себя, как жидкость, так что уголь- ная масса почти не оказывает сопротивления погружаемым в нее твер- дым телам. Подача свежего топлива производится при помощи шнеков сбоку в нижнюю часть шахты газогенератора 2, непосредственно в угольный слой. Процесс газификации ведется при температуре около 1000°. Большая часть золы уносится потоком газа в виде мелкой пыли; газификация угольной пыли, уносимой газовым потоком, осуще- ствляется подачей добавочного дутья. По выходе из генератора газ проходит через котел-утилизатор 3. Благодаря наличию высокой температуры, равномерно распределяе- мой по всему слою топлива высотой 0,25—0,75 м, имеет место крекинг смолистых веществ угля; содержание метана в газе составляет 0,6— 1%. Перед поступлением в газогенераторы бурый уголь предвари- тельно подсушивается до остаточного содержания влаги 6—8%. Для выработки газа, идущего на производство синтетического ам- миака, в газогенератор подается смесь пара и обогащенного кислоро- дом (до 50—60% Оз) воздуха. При выработке газа для производства синтетического бензина в газогенератор подается паро-кислородная смесь. Другим интересным способом газификации мелкозернистого топлива является способ ВНИГИ (Всесоюзного научно-исследовательского ин- ститута газа и искусственного жидкого топлива), при котором создается концентрированный «взвешенный» слой топлива путем подбора конфи- гурации поперечного сечения шахты газогенератора и давления дутья таким образом, чтобы частицы топлива, в зависимости от крупности, поддерживались газовым потоком на различных уровнях в нижней ча- сти шахты газогенератора. Нижняя часть шахты представляет собой усеченный конус, обра- щенный большим основанием вверх; верхняя часть шахты — цилиндри- ческая и снабжена специальным устройством для подсушки топлива горячим газовым потоком. Топливо (размером частиц до 6—8 мм) поступает в газогенератор сверху в подсушивающее устройство; мелкие частицы топлива, уне- сенные из газогенератора газовым потоком, улавливаются в циклоне и затем подаются в нижнюю часть шахты газогенератора. 181
В результате длительных опытов в полузаводском масштабе была доказана возможность газификации фрезерного торфа влажностью . Примерный состав генераторного газа при работе на паровоздушной смеси (в %): СО2..................9,4 СО..................22,1 Н2..................10,8 СН4..................1,7 С„Нт..................0,9 О2....................0,2 N2..................54,9 Рнизш........................1215 *ал№ Газификация под высоким давлением При производстве водяного и двойного водяного газа из кускового или мелкозернистого топлива под атмосферным давлением теплотвор- ная способность получаемого газа не превышает 2800—3200 кал/.м?. Между тем в случае использования газа для бытовых целей и при передаче его на большие расстояния желательно иметь газ с тепло- творной способностью не ниже 4000 кал/м3- Такой газ может быть по- лучен при газификации топлива под давлением 20—25 ат. При подаче в газогенератор парокислородной смеси под таким да- влением и при температуре в реакционной зоне 700—800° происходит образование метана по уравнениям: СО + ЗН2^СН4-|-Н2О; 2СО + 2На СН4Д-СОа. Результаты опытов по газификации бурого угля с влажностью около 20%, проведенных в полузаводском масштабе, указывают на возможность получения газа с теплотворной способностью 4000— 4300 кал/м3 после отмывки углекислоты водой под давлением. Помимо получения высококалорийного газа, не уступающего по теплотворной способности коксовому и светильному, процесс газифика- ции под давлением представляет интерес в том отношении, что вслед- ствие образования метана в области более высоких температур и экзо- термичности реакции уменьшается удельный расход кислорода на 1000 кал тепла в газе. Кроме того, имеется возможность переработки мелкозернистого топлива (3—10 мм) в плотном слое вследствие рез- кого сокращения объема и скорости протекающих через слой угля газов. Подземная газификация углей Впервые идея подземной газификации углей была высказана в 1888 г. Д. И- Менделеевым. В более поздних работах Д. И. Менделеев неоднократно возвра- щался к этому вопросу, указывая на возможность использования пу- тем подземной газификации тонких пластов каменных углей. Углепро- мышленники царской России не только не реализовали идею Д. И. Мен- делеева, но даже не обратили на нее внимания. В 1912 г. В. Рамсэй, который, повидимому, был знаком с идеей подземной газификации Д. И. Менделеева, предложил конкретный спо- соб ее осуществления, однако предложение это не было практически реализовано. В. И. Ленин, ознакомившись с предложением Рамсэя, в специаль- ной статье «Одна из великих побед техники»1 очень высоко оценил значение подземной газификации углей: «Одна из великих задач современной техники — писал Ленин,— 1 В. И. Ленин, собр. соч., изд- 2-е, т. 16, стр. 368—369. 182
близится, таким образом, к разрешению- Переворот, который вызовет ее решение, громаден. В настоящее время, чтобы использовать энергию, заключающуюся в каменном угле, его развозят по стране и сжигают в массе отдель- ных предприятий и домов. Открытие Рамсэя означает гигантскую техническую революцию в этой, едва ли не самой важной, отрасли производства капиталисти- ческих стран». И далее,- «Переворот в промышленности, вызванный этим открытием, будет огромен». В годы сталинских пятилеток подземная газификация углей в СССР была реализована на практике. При подземной газификации углей имеет значение не только тол- щина угольных пластов, но и геологические условия их залегания. В Донбассе мощность разрабатываемых вляет 0,7—1,5 м-, пласты мощностью в 2 м Около половины всех угольных запасов Донбасса составляют тонкие пласты тол- щиной менее 0,7 м. При освоении подземной газификации этих нерабочих пластов угольные ресурсы в Донбассе удвоятся. В Кузнецком бассейне мощность уголь- ных пластов значительно больше, чем в Донбассе, достигая в некоторых районах 13—18 м. Особый интерес представляет использо- вание путем подземной газофикации углей с большим содержанием балласта (золы и влаги), например в Подмосковном бас- сейне. При первых опытах подземной газифи- кации углей делались попытки осуще- ствить этот процесс теми же методами, что и в обычных наземных газогенераторах, т. е. применением дробленого угля. Одним из таких методов был так называемый ме- пластов в основном соста- и выше встречаются редко. Рис. 75. Схема подъемной газификации угля по «по- точному* методу: I, II, III — наклонные выработ ки (гезенки); IV — горизонталь- ная выработка (огневой штрек); 1 — панель; 2 — дутьевые и газо- отводящие трубы; 3 — огневой забой; 4 —начальный огневой штрек; 5—обрушивающаяся кров- ля; 6 — поверхность земли; 7— дутье; 8 — газ. тод «магазинирования», при котором уголь в пласте предварительно выламывался, раздроблялся и равномерно раскладывался в полученной выработке — «магазине». Под землей как бы создавался при этом обыкновенный газогенератор, в который снизу подается дутье, а сверху отбирается газ. Однако этим методом не удалось обеспечить устой- чивого и управляемого режима газификации угля и выдачи газа постоянного состава. Практическое осуществление подземной газификации угля стало возможным после (применения так называемого поточного метода, пред- ложенного инж. Матвеевым, Скафа и Филипповым. Поточный метод подземной газификации углей заключается в сле- дующем. В толще угольного пласта по падению проходят наклонные выработки /, II и III (называемые гезенками). Они соединяются между собой на некоторой глубине по простиранию пласта горизонтальной выработкой IV (рис. 75). Участок угольного пласта, ограниченный этими выработками, пред- ставляет собой подземный газогенератор. По одной или двум (край- ним) наклонным выработкам с обсадными трубами подается воздух, кислород или другой газифицирующий’ реагент- Другая наклонная вы- 183
работка III, также взятая в трубы, служит для отвода газа. Самый процесс газификации угля протекает в горизонтальной выработке 7V, называемой огневым штреком. Поток дутья и образующегося газа омывает раскаленную поверхность угольного пласта, получившую на- звание огневого забоя. По мере газификации угля, которая происходит вверх по падению пласта, сечение огневого штрека увеличивается. Это происходит до тех пор, пока кровля угольного пласта, под влиянием высокой темпе- ратуры и давления вышележащих горных пород, не обрушивается, ча- стично заполняя выгоревшее пространство. Наиболее интенсивное выгорание угольного пласта происходит вблизи дутьевой выработки. Во избежание неравномерной газификации угля применяется изменение направления движения дутья и газа на обратное (реверсирование) путем подачи дутья в гезенк, служивший ранее для отвода газа, и, наоборот, отвода газа из гезенка, служившего для подачи дутья. Особенностью процесса подземной газификации угля является ча- стичное сгорание газов, образовавшихся в восстановительной зоне и выделяющихся из угля летучих веществ в огневом штреке (канале), и большая протяженность зоны газификации. В подземных газогенерато- рах длина огневого забоя, т. е. расстояние между наклонными выра- ботками 1 и 11, составляет 50 м и более. Температура газа в конце огневого забоя при воздушном дутье равна 500—700°. По длине огневого забоя в подземном газогенераторе, помимо оки- слительной и восстановительной зон, имеются также и зоны подсушки и сухой перегонки угля. Распространение зон подсушки и сухой пере- гонки угля имеет место не только по длине огневого забоя, но и в глубь угольного целика вверх по падению пласта. По мере удаления от поверхности огневого забоя в глубь угля степень термического воз- действия на целик угля уменьшается. Огневой забой представляет собой весьма трещиноватую, сильно развитую поверхность прококсованного угля. Разрыхление угольного це- лика происходит в самом процессе газификации вследствие бурного выде- ления летучих веществ из пласта под действием высоких температур. При подземной газификации углей необходимо считаться с геологи- ческими условиями залегания пласта. Существенное влияние на про- цесс газификации может оказать приток грунтовых вод. Важными фак- торами являются также газонепроницаемость и газоемкость окружаю- щих горных пород и тепловые потери на их прогревание. Наконец, большое значение для режима подземной газификации имеет поведение кровли угольного пласта, так как преждевременное обрушение кровли или, наоборот, сильное отставание ее обрушения от выгорания пласта могут привести к серьезному расстройству процесса газификации. Теплотворную способность и состав получаемого газа можно изме- нять путем изменения состава подаваемого дутья. При прекращении дутья в подземный газогенератор процесс гази- фикации не прекращается сразу, а медленно затухает, выдавая еще в течение некоторого времени газ за счет тепла, аккумулированного угольным пластом и окружающими его горными породами. Состав газа после прекращения подачи дутья резко меняется; быстро возрастает содержание в газе водорода, так как процесс газообразования в этот период происходит за счет разложения притекающей грунтовой влаги и выделения из угля летучих веществ. В табл. 55 приведена характеристика газов, полученных в подзем- ном газогенераторе как при различных концентрациях кислорода в дутье, так и после прекращения дутья. 184
ТАБЛИЦА 56. Характеристика газов, полученных при подземной газификации каменных углей Характеристика дутья • Состав газов в % объемн. 1ТВОр- юсоб- газа СО3 СО Но СН4 О„ N3 W Г- £ ч ° н с к о га о Воздушное (21% О2) . . 10,2 16,2 14,0 1,8 0,2 57,6 г я к и 1010 Обогащенное кнслоро- дом (до 37% О2). . . 15,5 22,1 21,0 2,5 0,2 38,7 1430 Обогащенное кислоро- дом (до 48% О2.). . . 15,4 26,1 28,2 3,5 0,3 26,5 1825 Бездутьевой период . . 18,6 18,9 52,0 4,7 0,2 5.6 2235 Газ, полученный в период прекращения дутья, может быть исполь- зован для химических синтезов; однако производительность подземного газогенератора в бездутьевой период невелика. Более перспективным является способ получения газа для техноло- гических целей за счет подачи в подземный газогенератор парокисло- родной или обогащенной кислородом паровоздушной смеси. Подземные газогенераторы полностью обслуживаются с поверхно- сти земли. Наземные сооружения достаточно капитальны, тогда как газификация отдельных панелей заканчивается в течение 1—2 лет. По- этому наземные сооружения располагаются по возможности в центре площадей, занимаемых станцией подземной газификации, с таким рас- четом, чтобы обслужить несколько участков пласта или панелей. Такое центральное расположение дает возможность сократить длину воздухо-, паро- и газопроводов- Их протяженность может достигать нескольких километров. Наземные постройки располагаются недалеко от подзем- ных газогенераторов, но отнюдь не над ними, так как по мере гази- фикации угольных пластов и обрушений кровли происходит осадка вышележащих пород, вплоть до поверхности земли. Дутье подается компрессорной установкой под давлением в не- сколько атмосфер; оно должно быть рассчитано на преодоление всех сопротивлений в подземных газогенераторах и наземных коммуника- циях от компрессорной станции до газогенераторов и от последних до газоочистительных аппаратов. Большая протяженность коммуникационных линий обусловливает необходимость автоматизации управления всеми задвижками на трубо- проводах. Управление ими сосредоточено в диспетчерском пункте станции. Газ, выходящий из подземного газогенератора с высокой темпера- турой, уносит с собой большое количество физического тепла. Оно должно быть использовано для покрытия энергетических нужд стан- ции путем установки котлов-утилизаторов и паровых или же газовых турбин (без камеры горения). Последние используют, кроме того, из- быточное давление выходящего из генератора газа- Широкое развертывание газификации всех видов топлива и подзем- ной газификации углей и превращение последней в самостоятельную отрасль промышленности с использованием получаемого газа для энер- гетики, химической промышленности и коммунального хозяйства, — та- кова важнейшая практическая задача по подземной газификации углей в четвертой пятилетке.
ГЛАВА 8 КОНСТРУКЦИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ И ИХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ Типы и виды газогенераторов Классификация газогенераторов производится по различным техно- логическим и конструктивным признакам. Наиболее распространена классификация газогенераторов по основ- ной конструктивной детали — колосниковой решетке. На колосниковой решетке удерживается слой топлива в шахте газогенератора, через нее же производится подача и распределение дутья и удаление шлака. По этому признаку газогенераторы могут быть разделены на сле- дующие три группы: 1) газогенераторы с неподвижными решетками; 2) газогенераторы с вращающимися решетками; 3) газогенераторы безрешеточные. Газогенераторы с неподвижными колосниковыми решетками Основным недостатком всех газогенераторов с неподвижными ре- шетками является периодическое удаление шлака, которое произво- дится вручную. При выгребе шлака прекращается подача дутья, чем нарушается установившийся режим ра- Рис. 76. Газогенератор с плоской ко- лосниковой решеткой: 1 — загрузочное отверстие: 2 — отверстие для отвода газа; 3—газовый коллектор; 4 — колосниковая решетка; 5 — шибер. боты газогенератора. Кроме того, уда- ление шлака вручную ограничивает возможность увеличения мощности га- зогенератора и переработки многозоль- ных топлив. Преимуществом газогене- раторов с неподвижными решетками является их простота и дешевизна. Применение таких газогенераторов может оказаться целесообразным при небольших масштабах потребления газа при переработке малозольных топлив. Газогенераторы с неподвижными колосниковыми решетками могут быть, в свою очередь, разделены на следую- щие подгруппы: 1) газогенераторы с плоской решеткой; 2) газогенера- торы со ступенчатой решеткой; 3) га- зогенераторы с круглой дутьевой го- ловкой. Газогенераторы с плоской колосниковой решеткой. Конструкция та- кого типа газогенератора изображена на рис. 76. Шахта газогенера- тора имеет прямоугольное сечение и выполнена из шамотного и крас- ного кирпича. Топливо загружается в генератор через загрузочное от- 186
верстие 1- Образовавшийся генераторный газ поступает в газовый кол- лектор 3 через отверстие для отвода газа 2 с шибером 5. Колосниковая решетка 4, составленная из отдельных, обычно чугунных, реже шамот- ных колосников, лежит на опорных балках, заделанных в кирпичной кладке. Чистка решетки при отсутствии шлакования производится снизу и состоит в прочистке зазоров между колосниками и выгребе золы из поддувала, расположенного под решеткой. В случае шлакования золы удаление шлака производится с решетки через специальное отверстие. .Для удобства обслуживания длина колосников обычно не превышает 1500 мм. В большинстве случаев газогенераторы такого типа работают естественной тягой (самодувные генераторы). Движение воздуха и газа происходит вследствие вытеснения нагретого столба газа в шахте газо- генератора более тяжелым холодным столбом Ввиду небольшой производи- тельности самодувных газоге- нераторов их применение у нас сокращается. Газогенераторы с плоской решеткой применяются преиму- щественно для газификации крупнокускового и малозоль- ного топлива — дров и торфа. Газогенераторы со ступен- чатой колосниковой решеткой. Преимуществом газогенерато- ров со ступенчатой решеткой (рис. 77), по сравнению с га- зогенератором с плоской гори- зонтальной или наклонной ре- шеткой, является возмож- ность газификации более мел- кого топлива вследствие устранения провала частиц топлива между ступенчатыми колосниками. Наличие специального кир- пичного свода в верхней ча- сти шахты обеспечивает по- стоянную высоту слоя топлива в шахте газогенератора. То- пливо подается в генератор через загрузочное отверстие 5 и благо- даря наличию сводчатой перегородки 3 попадает на ступенчатую ре- шетку 1, с которой оно сползает на горизонтальную решетку 2. Газ выводится из генератора через отверстие для отвода газа 6. Шуровка осуществляется через шуровочное отверстие 4- Угол наклона колосни- ков делается несколько больше угла! естественного откоса топлива, что обеспечивает постепенное сползание топлива вниз, по мере его сго- рания. Поддувало под колосниками бетонировано' и частично запол- няется водой: водяные пары при ее испарении поступают в газогенера- тор, где разлагаются и обогащают газ. Газогенераторы со ступенчатой решеткой нередко работают с естественной тягой. Газогенераторы с круглой дутьевой головкой. Газогенераторы этого типа в отличие от вышеприведенных конструкций имеют шахту круг- лого сечения, снабженную железным кожухом и опирающуюся на ме- таллические колонны. Фундамент газогенератора выполнен в виде наружного воздуха. Рис. 77. Газогенератор со ступенчатой ре- шеткой: / — ступенчатая решетка; 2—горизонтальная решетка; 3—сводчатая перегородка; 4 —шуровочное отверстие; 5 — загрузочное отверстие; 6 — отверстие для отвода газа. 187
Рис. 78. Газогенератор Моргана: /— дутьевая головка; 2— колосники; 3—отверстие для отвода газа; подвод дутья по периферии; 5—загрузочное отверстие; 6—.гидравлический за- твор; 7—шуровочное отверстие. круглой чаши, заполненной водой; в эту чашу опускается нижняя часть шахты газогенератора, образуя гидравлический затвор 6. Воздух и пар вдуваются через круглую чугунную решетку и дутьевую го- ловку 1, расположенную на фундаменте по оси газогенератора. Газо- генераторы такого типа (рис- 78) носят название газогенераторов Мор- гана. При большом диаметре шахты для более равномер- ного распределения дутья осу- ществляется дополнительное дутье по периферии — через ряд специальных отверстий в кожухе и обмуровке газогене- ратора 4 подают дополнитель- ное дутье. Топливо подается в генератор через загрузочное отверстие 5. Удаление шлака произво- дится вручную через гидравли- ческий затвор 6. без выклю- чения дутья, за исключением тех случаев, когда на колосни- ках 2 накопляются большие комья шлака, для удаления которых требуется открыть дверцы в нижней части шах- ты. Газ выделяется из газоге- нератора через отверстие для отвода газа 3. Шуровка газогенератора осуществляется длинными железными штангами, опускаемыми в шахту газогенератора через специальное шуровочное отверстие 7 в крышке кожуха. Газогенераторы с вращающимися колосниковыми решетками Основной целью применения вращающихся колосниковых решеток является достижение равномерного непрерывного удаления шлака без нарушения процесса газообразования. Газогенераторы с вращающимися решетками имеют в настоящее время наибольшее распространение, являясь агрегатами, в которых трудоемкий процесс удаления шлака механизирован- Ввиду непрерывного механического удаления шлака без прекраще- ния подачи дутья удельная производительность и общая мощность га- зогенераторов с вращающимися решетками значительно больше, чем газогенераторов с неподвижными решетками. Существует целый ряд конструкций вращающихся решеток; однако в большинстве случаев эти конструкции принципиально мало отли- чаются друг от друга. Существующие конструкции вращающихся ко- лосниковых решеток можно грубо подразделить на два типа: решетка с равномерно распределенной или секционной подачей угля и решетка с центральной подачей угля. Колосниковая решетка располагается на вращающемся столе или поддоне, снабженном обычно, бортами, образующими зольную чашу. Нижняя часть шахты газогенератора, имеющая круглое сечение, оканчивается чугунным или железным «фартуком»; между фартуком и ребрами решетки дробятся крупные куски шлака. Фартук служит также для создания водяного затвора в зольной чаше, препятствую- щего прорыву газа, из шахты генератора в рабочее помещение. 188
Газогенераторы Керпели. Одной из распространенных конструкций газогенераторов с вращающейся решеткой является газогенератор Кер- пели (рис- 79). Он состоит из нижней опорной коробки и ряда чугунных колосников, образующих ступенчатый многогранник, стянутых между собой бол- тами. Верхний колосник, носящий название головки или «чепца», имеет эксцентричность. Дутье подается внутрь решетки и поступает <в шахту газогенератора в радиальном направлении через многочисленные щели между колосниками. Дутье подводится двумя трубопроводами 1 — по одному в центральную часть решетки, по второму — в периферийную часть решетки, что позволяет регулировать в широких пределах рас- пределение дутья по сечению шахты газогенератора. К одной из стоек газогенератора прикреплен лемех или шлаковый нож 6, опущенный снаружи корпуса газогенератора в зольную чашу. При вращении ко- лосниковой решетки 4 шлак прихо- дит в движение, перемещается от центра к периферии, дробится и поступает под «фартук» к бортам чаши. Поддон 3 приводится в дви- жение от привода 2. Около лемеха шлак накапливается и перевали- вается через борт чаши, попадая по специальному лотку в вагонетку для вывозки шлака. Количество уда- ленного шлака регулируется изме- нением скорости вращения решетки и подъемом или опусканием лемеха. Накопление шлака с одной сто- роны лемеха и малое количество шлака — с другой может вызвать смещение зон в шахте, во избежа- ние этого на корпусе газогенера- тора закрепляется снаружи еще не- сколько коротких ножей, которые способствуют более равномерному распределению шлака по сечению, не выгребая его из чаши. Газо- генератор имеет охлаждающий ко- жух 5, Шуровка производится через шуровочное отверстие 7. Топливо подается при помощи автоматиче- ского загрузочного аппарата 8. Решетка Керпеля применяется, главным образом, в газогенерато- рах, перерабатывающих каменные и бурые угли. Газогенератор Коллера. Решетка с лера изображена на рис. 80. Эта реп составленный из колосников малого диаметра. Дробление шлака за- менено в этой конструкции подрезанием или «фрезерованием» шлака при помощи спиральных ребер на конусообразном поддоне зольной чаши. Такая конструкция обеспечивает равномерное удаление шлака Рис. 79. Газогенератор Керпели: / — трубопроводы дутья; 2 — привод; 8—под- дон; 4 — колосниковая решетка; 5— охлажда- ющий кожух; б—шлаковый нож; 7 — шуро- вочные отверстия; 8— автоматический за- грузочный аппарат. центральной подачей дутья Кол- етка имеет центральный столбик, и равномерное опускание слоя топлива в шахте газогенератора. Основным недостатком решетки Коллера является ее малая меха- ническая прочность, приводящая к частым поломкам решетки при 189
шлаковании. Применяется решетка Коллера в газогенераторах, рабо- тающих на торфе, древесной щепе и буром угле- При работе на каменных углях и антраците, особенно при мелких фракциях, происходят большие потери топлива со шлаком вследствие не- равномерного распреде- Рис. 80. Колосниковая решетка Коллера. другая часть образует с нижележащим колосником щель для прохода дутья, открытую в сторону, противоположную направлению движения колосниковой решет- ки; это предохраняет щели от засорения частицами золы и шлака. Г азогенераторы Дейтца обычно рабо- тают под разреже- нием, которое соз- дается эксгаустером или засасыванием газа в газовый дви- гатель. Газогенераторы Гильгера. Из старых конструкций газоге- нераторов с вращаю- щимися решетками значительное рас- пространение полу- чил газогенератор Гильгера (рис. 81). Колосниковая ре- шетка состоит из нижней конической коробки 5 и централь- ной головки 6, имею- щей вид четырехко- нечной звездочки; коробка и звездочка снабжены ребрами для дробления и ворошения шлака. Приводной механизм 4 позволяет направлять вращение решетки в обе стороны, что дает возможность усилить ления дутья по сечению- шахты. Газогенераторы Дейт- ца. Для газификации ан- трацита с успехом приме- няется решетка Дейтц. (см. рис. 86). Решетка состоит из- конусообразных, эксцен- трично расположенных ко- лосников. Форма верхней поверхности колосников такова, что одна часть колосников проталкивает при своем движении ле- жащий на'них шлак, а Рис. 81. Газогенератор Гильгера; 1 — загрузочное отверстие: 2 — зольная чаша; 3 — лемех; 4 — при- водной механизм; 5 — нижияя коническая коробка; 6 — головка решетки; 7— штуцер для отвода газа. 190
ее шлакодробящее действие. В зольную чашу 2 опущен лемех 3- Топливо подается в генератор через загрузочное отверстие 7, а газ удаляется через штуцер 7. Дутье поступает в газогенератор через большую щель между головкой и коробкой решетки и напра- вляется вниз. Эта конструкция не дает хорошего распределения дутья по сечению шахты: над решеткой в центре может образоваться до- вольно большой непродуваемый столб шлака и топлива. Безрешеточные газогенераторы В газогенераторах, не имеющих колосниковых решеток, топливо лежит на поду, а дутье вводится с боков через стенки шахты. Безрешеточные газогенераторы можно подразделить на две основ- ные подгруппы: газогенераторы с удалением шлака в твердом виде; газогенераторы с удалением шлака в жидком виде. Газогенераторы первой группы нашли очень ограниченное приме- нение. Газогенераторы с удалением шла- ка в жидком виде. Безрешеточные газогенераторы с удалением шлака в жидком виде также мало рас- пространены. Основным достоин- ством этих газогенераторов является возможность комбинирования в них процесса газификации с металлур- гическими или другими химиче- скими процессами, т. е. организа- ция комплексного производства. Простейшая конструкция газоге- нератора с удалением шлака в рас- плавленном виде изображена на рис. 82. Подача дутья производится через ряд охлаждаемых водой фурм 1 в нижней суженной части шахты, называемой горном. На рас- стоянии около 0,5 м над воздуш- ными фурмами подводится через ряд паровых фурм 2 водяной пар, который разлагается и обогащает газ. Из нижней части горна через специальное отверстие периодически плавленный шлак. Рис. 82 Газогенератор Вюрта с уда- лением шлака в расплавленном виде: 1 — фурмы, охлаждаемые водой; 2—фурмы водяного пара. или непрерывно выпускается рас Для получения легкоплавкого шлака обычно требуется присадка тех или иных флюсов в зависимости от состава золы топлива- При со- четании процесса газификации с металлургическим процессом газогене- ратор с жидким шлакоудалением представляет собой по существу до- менную печь. В такого типа газогенераторах могут получаться как черные металлы, так и цветные. Кроме отходов того или иного производства могут перерабаты- ваться и бедные руды, которые нельзя рентабельно использовать при чисто металлургическом производстве. Помимо металлургического про- цесса возможно комбинирование производства газа и с другими хими- ческими процессами, например с огневой возгонкой фосфора из бед- ных фосфоритов, с процессами получения вяжущих строительных материалов или каменного литья и пр. 191
В зависимости от характера производства требуется либо предвари- тельный подогрев дутья, либо обогащение дутья кислородом. Газогенераторы с механизированными шуровочными приспособлениями В обычном газогенераторе при газификации спекающихся углей для борьбы со спеканием топлива и прогарами приходится прибегать к длительной и тяжелой ручной шуровке слоя топлива. Для облегче- ния обслуживания газогенератора и улучшения его работы предло- жены различные механизированные приспособления для шуровки и разравнивания слоя топлива. Газогенератор Чепмана. На рис. 83 изображен газогенератор с ме- шалкой системы Чепмана. Мешалка 3 представляет собой полый, охла- ждаемый изнутри водой и вращающийся вокруг вертикальной оси го- ризонтальный стержень, снабженный наклонными зубьями. На верхнем Рис. 83. Газогенератор с мешалкой системы Чеп- мана-. / — колосниковая решетка; 2 — зольная чаша; 3—мешалка; 4 — углепитатель; 5 — штуцер для отвода газа. конце вертикальной оси имеется винтовая на- резка, посредством ко- торой мешалка автома- тически перемещается в вертикальном напра- влении в зависимости от высоты слоя топ- лива в шихте газо- генератора. При враще- нии мешалки ее наклон- ные зубья разрыхляют собой топливо, препят- ствуя его спеканию. Уголь поступает в га- зогенератор через угле- питатель 4 и попадает на колосниковую ре- шетку /. Газ выводится из генератора через шту- цер 5, а зола собирает- ся в зольной чаше 2. Мешалка Чепмана находит применение также при газифика- ции малоспекающихся топлив для разравнивания верхнего слоя топлива и ликвидации прога- ров, получающихся вследствие неравномерного распределения топлива по сечению шахты при его засыпке или в результате неправильной экс- плоатации газогенератора. Для термически непрочных, легко рассыпающихся топлив приме- няют гладкую мешалку без зубьев во избежание излишнего измельче- ния угля и образования большого количества пыли- Разрыхляющее действие мешалки Чепмана иногда оказывается не- достаточным, когда требуется более энергичное и глубокое ворошение слоя топлива в шахте генератора. Газогенераторы Вельмана. В США для газификации спекающихся углей широко применяются газогенераторы Вельмана, в которых осу- ществлено беспрерывное глубокое шурование слоя топлива и беспре- рывное вращение самой шахты газогенератора (рис. 84.) Шахта газо- генератора вращается на шести опорных горизонтальных роликах, прикрепленных попарно к трем колоннам; для предотвращения сдвига 192
шахты в горизонтальном направлении на тех же колоцнах имеются упорные вертикальные ролики. Шахта газогенератора 1 приводится во вращение конической зубчатой передачей от электромотора. Герметичность между неподвижной чугунной крышкой и вращаю- щейся железной футерованной шахтой газогенератора достигается посредством гидравлического затвора 3. Беспрерывное перемешивание слоя топлива достигается, с одной стороны, вращением шахты газо- генератора, увлекающей за собой силой трения столб топлива и шлака и, с другой — беспрерывным качанием в шахте специального полого шуровочного лома 6, охлаждаемого изнутри водой. Шуровочный лом глубоко входит в слой топлива, хорошо его перемешивает и не допу- скает образования сводов из спекшегося угля. Однако механическая шуровка не предохраняет от шлакования в нижней части газогенератора Вельмана. Чаша 7 не имеет специаль- ного механизма вращения и движется только под дей- ствием силы трения столба топлива и шлака. После каждого поворота чаши на Уз окружности □на тормозится с помощью специального стержня. При этом происходит подреза- ние шлака посредством ус- тановленного горизонтально подрезного ножа, напра- вленного навстречу враще- нию шахты. Нижняя часть шахты под обмуровкой снабжена железными лопатками 2 для облегчения перемещения шлака. Топливо загружает- ся в газогенератор при по- мощи загрузочного устрой- ства с питательной ворон- кой 4. По газоотводной трубе 5 газ выводится из генератора. Благодаря постоянному перемешиванию слоя топ- лива в газогенераторе Вель- мана достигается высокая удельная производительность на единицу площади попе- речного сечения шахты газо- генератора. Рис. 84. Гаэогенератор Вельмана: /--шахта; 2— железные лопатки; 3 — гидравлический затвор; 4— загрузочное устройство с питательной во- ронкой: — газоотводная труба; 6 —качающийся лом ’ для шурования; 7 — чаша. Специализированные газогенераторы Газогенераторы с использованием физического тепла. Наиболее ши- роко распространено использование физического тепла в нижних зонах газогенератора, где развивается наиболее высокая температура. В этом случае нижняя часть кожуха газогенератора (шахта) 2 вместо шамотной обмуровки снабжается водяной рубашкой / (рис. 85). То- пливо загружается через загрузочное устройство 5. Газ из швель- шахты <3 выдается по отводной трубе 4. Водяная рубашка соединяется Зак. 3610. Общая химия, технология точглива. 193
двумя трубами с вышерасположенным паросборником. Трубы присоеди- няются с таким расчетом, чтобы обеспечить постоянную циркуляцию воды в рубашке. По трубе, присоединенной к верхней части рубашки, нагретая вода поднимается в паросборник, где закипает, а по трубе, присоединенной к нижней части рубашки, холодная вода из паросбор- ника опускается в рубашку. Давление водяного пара составляет обычно всего около 0,5 ати, что вполне достаточно при использовании пара для увлажнения дутья. Применение водяных рубашек в нижней части шахты газогенера- тора имеет целью не только использование физического тепла для по- лучения пара, но и предохранение стенок шахты от накипания шлака и образования настылей, могущих привести к нарушению работы газо- генератора. В газогенераторах, работающих на топливе с большой влажностью, жела- тельно как можно больше физического тепла подвести к верхним зонам газогенератора для обеспечения хорошей подготовки топлива; в этих газогенераторах основной целью устройства водяной рубашки нужно считать предохранение стенок шахты от налипания шлака. В газогенераторах, работающих на камен- ных углях, коксике и антраците, газ на вы- ходе из слоя топлива имеет высокую темпе- ратуру (500—700°); в этом случае целесооб- разно использовать физическое тепло газа для производства пара не только в нижней части газогенератора, но и в верхней, а иногда и за пределами газогенератора — в специаль- ных котлах-утилизаторах. Газогенераторы для получения смол. При газификации битуминозных топлив для полу- чения смол хорошего качества необходимо» обеспечить их отгонку при невысоких темпе- ратурах (около 600°). При работе на сильно влажных топливах (торф, древесная щепа, не- которые бурые угли) требуется, кроме того, Рис. 85. Газогенератор со хорошая подсушка топлива в верхней части швельшахтой и водиной ру- газогенератора. башкой: Эти условия могут быть обеспечены в га- з=ХТшах₽т^а“-:ш^«“раХдля: зогенераторах, в которых над основной шах- отвода газа; s—загрузочное уст- той надстроена еще швельшахта. В этих газо- ро ств0' генераторах, вследствие большой высоты слоя- топлива, происходит постепенное подогрева- ние его горячим газом, поднимающимся из иижней шахты. Газогене- ратор со швельшахтой для газификации торфа и древесной щепы изо- бражен на рис. 85. Газогенераторы, перерабатывающие битуминозные угли с неболь- шой влажностью, снабжаются двумя отводами газа — вверху швель- шахты и у подножия ее; в этом случае через швелыпахту пропу- скается только часть газа во избежание чрезмерного повышения тем- пературы и ухудшения качества отгоняемой смолы. В некоторых конструкциях газогенераторов швельшахта заменяется внутренней ретортой, помещенной в верхней части основной шахты газогенератора. 194
Газогенераторы для силового газа В газогенераторах, вырабатывающих газ для двигателей внутрен- него сгорания, обычно стремятся к возможно полному разложению побочных продуктов (смол) в шахте газогенератора. Разложение смол в шахте газогенератора достигается пропусканием газового потока, содержащего смоляные пары, через зоны высоких температур. Газогенераторы Дейтца. Для стационарных газовых двигателей на- шел применение газогенератор Дейтца с двумя зонами горения 1, 2, изображенный на рис. 86. В этом газогенераторе воздух поступает как снизу (4) через колос- никовую решетку 8, так и сверху (3). Для увлажнения воздуха, пода- Рис. 86. Газогенератор Дейтца: 1 — верхняя зона горения; 2 — нижняя зона горения; 3 — подача воздуха сверху; 4- подача паровоздушного дутья снизу; 5—труба для подачи пара; б—газо- провод; 7—охлаждающий кожух; 8 — вращающаяся колосниковая решетка. ваемого в газогенератор, к нему добавляют пар, который поступает по трубе 5. Вследствие высокой температуры в верхней части газоге- нератора продукты сухой перегонки разлагаются; подвод дутья снизу обеспечивает газификацию кокса в нижней части газогенератора с хо- рошим выжигом шлака. Отвод газа из газогенератора производится через кольцевой канал в средней части, образуемый сужением шахты газогенератора, и затем по газопроводу 6. Газогенератор снабжен охлаждающим кожухом 7. Газогенераторы с обращенным процессом. Другим типом газогенера- тора с разложением смол является газогенератор с обращенным про- 13* 195
цессом газификации- В этом газогенераторе топливо и газ движутся в одном направлении сверху вниз. Воздух подается в слой топлива через фурмы в стенках шахты газогенератора, и в этом месте обра- зуется зона горения. В вышележащих слоях топлива происходят сухая перегонка и подсушка топлива. Зона восстановления располагается внизу — под зонор горения. Продукты сухой перегонки проходят через зоны горения, где смола и влага топлива разлагаются, обога- щая газ. Газогенераторы с обращенным процессом получили широкое приме- нение на транспорте (на тракторах и автомобилях). На рис. 87 изоб- ражен транспортный газогенератор с обращенным процессом- Газ, вы- ходящий из камеры газификации снизу, поднимается по кольцевому пространству между двойными стенками кожуха, подогревая топливо, Рис. 87. Транспортный газогене- ратор с обращенным процессом газификации: 1 — бункер; 2 — загрузочный люк; 3 — от- верстия для прохода водяных паров; / — трубка для отвода конденсата; 5 — шахта; 6 — топливник; 7 — отверстие для засасывания воздуха; 8—отверстия для распределения воздуха; 9 — газоотводный штуцер. а затем отводится из газогенерато- ра через штуцер 9. Воздух засасы- вается в газогенератор через отвер- стие 7 за счет разрежения, созда- ваемого газовым двигателем. Затем воздух распределяется по сечению газогенератора с помощью отвер- Рис. 88. Транспортный газо- генератор с поперечным то- ком газов: 1 — Фурма для дутья; 2 — газоот- водный штуцер; 3 — рычаг кача- ющейся решетки; /— зольник. стий 8. Топливо загружается через люк 2 в бункер 1, откуда оно за- тем поступает в шахту 5 и топливник 6. Пар удаляется из генератора через отверстие 3, а конденсат — через трубку 4. На рис. 88 изображен транспортный газогенератор с поперечным горизонтальным направлением газов. В нижней части шахТы имеется охлаждаемая водой фурма для подачи дутья 1 и штуцер для отвода Таза 2, расположенный против фурмы: воздушная фурма и газоотвод- ный патрубок вдаются внутрь шахты. Процесс газификации протекает очень интенсивно в малом объеме при высоких температурах. 196
Дутье увлажняется водой через канал, служащий для охлаждения фурйы. Внизу тойлйвника имеется .качающаяся колосниковая решетка с ры- чагом 3 для периодического сбрасывания шлака в зольник 4. Для выработки силового газа в транспортных и стационарных уста- новках находят применение и газогенераторы с прямым процессом, главным образом при газификации антрацита, коксика и древесного угля. Газогенераторные установки для получения водяного и двойного водяного газа В газогенераторах водяного и двойного водяного газа с периоди- ческим процессом применяются более высокие давления воздушного дутья (до 1000 мм вод. ст. и выше) и перегретый водяной пар (с тем- пературой до 600—700°). Вместо гидравлического затвора у вращаю- щихся колосниковых решеток в этих газогенераторах обычно устраи- вается сухой шлакоудалитель- В этом случае зольная чаша заменяется герметически закрытым кожухом с одним или чаще двумя зольными мешками, в которые и сгребается шлак. Опорожнение шлаковых меш- ков производится периодически, обычно не чаще одного раза в смену, и зависит от емкости мешков. Газогенераторы Лнми-Рамбуш. В СССР для производства водяного газа из кокСа и антрацита получили распространение мощные газоге- нераторы водяного газа с решеткой типа Лимн-Рамбуш. В плане эта решетка имеет форму неправильного десятиугольника с криволинейными гранями. Поверхность колосниковой решетки имеет волнообразную форму с пятью гребнями. Такая конструкция обеспечи- вает энергичное перемешивание слоя и дробление шлака. Наверху ре- шетка заканчивается круглым центральным чепцом- Сгребание шлака со стола решетки в зольные мешки пройзвбдится двумя ножами. При периодическом процессе работы газогенератора водяного газа около половины всего кокса или антрацита расходуется во время воз- душного дутья. Поэтому для повышения экономичности работы необ- ходимо использовать тепло, уносимое из газогенератора с газом горя- чего (воздушного) дутья. Обычно это тепло используется для произ- водства и перегрева водяного пара. Схема газогенераторной установки водяного газа с использованием тепла газа горячего дутья изображена на рис. 89. В период горячего дутья (схема Л) выходящий из газогенератора 3 газ с теплотворной способностью 300—400 кал/м* и температурой 500—700° поступает в камеру сгорания 5; здесь газ горячего дутья сжигается посредством так называемого вторичного воздушного дутья, подаваемого по трубе 6. Продукты сгорания с высокой температурой поступают по трубе 4 в паровой котел-утилизатор 8 высокого давле- ния, а затем выбрасываются через дымовую трубу в атмосферу- В пе- риод холодного дутья (схема Б) при подаче пара снизу ПО паропро- воду 1 водяной газ выходит из газогенератора вверху через ‘тгЬ’Г же патрубок, что и газ горячего дутья, но затем поступает не в камеру сгорания 5, а в скруббер 9, где очищается от пыли й Охлаждается. При подаче пара сверху по паропроводу 2 воДйной газ выходит из газогенератора снизу под колосниковой решеткой й далее поступает также в скруббер 9. Газогенератор этого типа имеет пароводяную рубашку и паро- сборник 7 ; \ 197
В некоторых установках водяного газа камера сгорания, наполнен- ная1 раскаленной шамотной насадкой, используется в период холод- ного дутья для перегрева водяного пара, подаваемого в газогенера- тор, что улучшает процесс образования водяного газа. б Рис. 89. Схема газогенераторной установки водяного газа с использова- нием тепла газа горячего дутья: А — горячее дутье; Б — парэвое дутье, / — труба для нижней подачи пара; 2—труба для верхней подачи пара; 3—газогенератор; 4 — труба для отвода продуктов горячего дутья; 5 — камера сгорания; б—труба для подачи воздуха; 7—паросборник; 8 — котел- утилизатор; Р —скруббер. Газогенераторы Штрахе. При производстве двойного водяного газа из битуминозных топлив применяются газогенераторы с внутренними ретортами или со швелыпахтами. На рис. 90 изображен небольшой газогенератор двойного водяного газа с внутренней швельретортой типа Штрахе- Газ горячего дутья омывает снаружи швельреторту 1, подогревая находящееся внутри реторты свежее топливо. По выходе из газогене- ратора газ горячего дутья проходит через пылеотделитель 2 и посту- пает в пароперегреватель 3 с шамотной насадкой, где дожигается воздухом, подаваемым по трубе 4. Из перегревателя продукты сгорания 198
газа горячего дутья поступают в испаритель 5 и далее в дымовую трубу 6. В период холодного дутья в испаритель 5 подается вода форсун- кой 7; образовавшийся водяной пар перегревается в пароперегрева- теле 3 и по трубе 4 поступает в газогенератор. Водяной газ про- ходит через швельрет орту, где смешивается с продуктами сухой пере- Рис. 90. Газогенератор двойного водяного газа (типа Штрехе): 7 —швельшахта (швельреторта); 2 — пылеотделитель; 3 — пароперегреватель; 4— подача воздуха; 5 — испаритель; в —дымовая труба; 7 — форсунка для воды; 3— отвод газа; 9— гидравлика. гонки, и затем через трубу 8 и гидравлику 9 поступает в очистную установку. Для повышения теплотворной способности водяного и двойного водяного газа нередко применяется карбюрация (обогащение) газа продуктами термического разложения нефтяных остатков или смол. Обычно карбюрация газа производится в специальных регенеративных теплообменниках с шамотной насадкой, нагреваемых за счет использо- вания тепла газа горячего дутья. На рис. 91 изображена схема газогенераторной установки двойного водяного газа с карбюрацией его продуктами термического разложе- ния смолы, получаемой в швелыпахте / газогенератора при газифика- ции битуминозного топлива. В период воздушного дутья газ горячего дутья, отбираемый из газогенератора у основания швельшахты, поступает по трубопроводу 2 в карбюратор 3, где частично дожигается. Затем газ горячего дутья поступает в пароперегреватель 4, где окончательно дожигается. Про- дукты сгорания переходят через паровой котел 5 и выбрасываются в атмосферу по трубе 6. В период парового дутья двойной водяной газ, выходящий из верхней части швельшахты газогенератора, поступает по трубопро- 199
воду 7 в карбюрйтор 3. Здесь газ, содержащий пары смолы, нагре- вается до высоких температур (700—800°), при этом смола рас- щепляется на простейшие углеводороды! (CHi, С2Н4 и др.), повышаю- щие теплотворную способность газа. Карбюрированный газ поступает из карбюратора через гидравлику в очистную установку- Рис. 91. Схема газогенераторной установки двойного водяного пара с карбюрацией -. 1 — швельшахта; 2—газопровод продуктов горячего дутья; 3—карбюратор; 4—пароперегреватель, 5— паровой котел; 6 — дымовая труба; 7 — газопровод двойного водяного газа; 8— паропровод; 9- зольный карман; 10—загрузочное приспособление; 11 — вентилятор. В этот же период водяной пар из котла 5 проходит через паро- перегреватель 4 и по паропроводу 8 поступает снизу в газогенератор. В установках водяного газа, работающих на коксе и антраците, кар- бюрирующий материал подают в карбюратор извне через специальную распиливающую форсунку. Загрузочные устройства газогенераторов и механизмы ^^д*ч^0ривода вращающихся колосниковых решеток Загрузочные устройства. Загрузочные устройства для подачи то- плива в газогенераторьт-должны обладать герметичностью, чтобы при загрузке топлива не требовалось приостанавливать подачу дутья в газогенератор для предотвращения утечки газа в рабочее помеще- ние, а для газогенераторов, работающих под разрежением, для устра- нения засоса воздуха в генератор. Загрузочные устройства должны обеспечивать достаточно равно- мерное распределение топлива по сечению газогенератора. В новых конструкциях газогенераторов широко применяются загру- зочные коробки с двумя затворами — верхним1 и нижним. При загрузке топлива из бункера верхний затвор коробки открыт, а нижний — за- крыт; при подаче топлива из коробки в шахту газогенератора верхний затвор закрыт, а нижний—открыт. Верхний затвор обычно выпол- няется в виде плоской или выпуклой крышки; нижний затвор — в виде полого конуса, перемещаемого в вертикальном направлении рычагом с противовесом. Загрузочные устройства с двумя затворами позволяют производить загрузку топлива без прекращения подачи дутья в газогенератор. Однако достижение полной герметизации весьма затруднено вслед- ствие застревания топливной пыли и мелочи на уплотняющих поверх- ностях конуса. Кроме того, при опускании конуса происходит сепара- ция топлива — более крупные куски падают ближе к периферии, а мелкие — ближе к центру генератора. Для устранения этого явления и создания возможности рвТулирО-
ваийя подачи топлива по сечению газогенератора применяют загрузоч- ные коробки с отклоняющим кольцом, которое устанавливается под коробкой. На рис. 92 показано, как с изменением положения конуса происходит изменение подачи топлива по сечению газогенератора. В некоторых конструкциях газогенераторов отклоняющее кольцо- Рис. 92. Загрузочное устройство с отклоняющим кольцом. сильно удлиняют. В результате этого, топливо всегда заполняет часть- объемй в кольце, и свежая порция топлива не соприкасается сразу с выходящим из слоя газом. При загрузках больших порций холодного- и влажного топлива и непосредственном со- прикосновений их с га- зом вверху газогенера- тора наблюдаются ко- лебания в составе, да- влении и температуре газа, что нежелательно. Удлиненное кольцо по- лучило название «юб- ки» и применяется пре- имущественно в газоге- нераторах, работающих на топливах с большой влажностью и поэтому дающих газ с невысо- кой температурой. Описанные выше за- грузочные устройства сибслуживаются вруч- ную. В современных конструкциях газогене- раторов все чаще на- ходят применение авто- матические непрерыв- ные питатели (рис. 93). Топливо из бункера проходит через сёктор- йый ЗаТвбр 1 к дози- рующей крыльчатке 2, Рйс 93. Автоматический питатель системы Газогеие- раторстроя: /—севторжый затвор; 2-дозир'кшая крыльчатка; 3— порционер;. «,£— качающиеся пластинки которая отмеривает определенные порции топлива, поступающие в пор- Цй'Ойер 3, имеющий коническую форму. Качающиеся пластинки 4 и 5 201:
червяка сооощается вращение от Рис. 94. Фрикционный приводной механизм системы Газогенераторстроя: 1—вал трансмиссии; 2— эксцентрик; 3— ползун, регу- лирующий ход зажимных колодок; 4 и 5—-зажимные колодки; 6—рычаг; 7 и 8— тяги; 9—фрикционное ко- лесо; 10— тормозные колодки, задерживающие фрик- ционное колесо при обратном ходе; 11 — тяга. предохраняют топливо от защемления крыльчаткой и порцио- нером. Приводные механизмы. Приводные механизмы служат для враще,- ния поддонов с колосниковыми решетками. Скорость вращения поддонов в зависимости от зольности топлива и производительности газогенератора обычно колеблется от 0,5 до 4 оборотов в час. Наиболее распространены червячные механизмы, приводимые в дви- жение от электромотора. На вал червяка насаживается храповое или фрикционное колесо. 1ла мотора через эксцентри- ковую передачу, поворачи- вающую на определенный угол храповое колесо по- средством собачек, а фрик- ционное колесо — посредст- вом колодок (рис. 94). При обратном ходе эксцентрика колодки свобод- но скользят по ободу фрик- циона. Фрикционная переда- ча позволяет более плавно регулировать скорость вра- щения, чем храповая пере- дача, при которой 'измене- ние скорости вращения про- исходит скачкообразно (на 1, 2, 3 зуба). Кроме описанных выше эксцентриковых передач пе- риодического действия при- меняются иногда и шесте- ренные или цепные передачи постоянного действия. Опоры поддонов колос- никовых решеток делаются: шариковые, роликовые и скользящие. Шариковые опоры, ранее имеющие ши- рокое распространение, в последнее время вытесняют- ся роликовыми, как более надежными. В некоторых конструкциях колосниковых решеток^ преимущественно небольшого размера, встречаются скользящие опоры, состоящие из двух колец; нижнее кольцо неподвижное, а верхнее, прикрепленное к поддону, вращается вместе с ним, скользя по нижнему. При надле- жащей смазке трущихся поверхностей эти опоры не вызывают ослож- нений в работе. Расчет газогенераторного процесса Применяемые в настоящее время методы расчета газогенераторного процесса имеют эмпирический характер и сводятся, в основном, к под- бору отдельных показателей, близких к практическим. Весь расчет разбивается на две стадии: 1) расчет процесса сушки и сухой перегонки в верхней части слоя топлива (в зоне подготовки 202
топлива) и 2) расчет собственно процесса газификации (в зоне гази- фикации). Для расчета процесса сухой перегонки пользуются практическими данными о составе и выходе продуктов сухой перегонки топлива, по- лученных в условиях, аналогичных имеющим место в газогенераторах. После подсчета содержания в продуктах сухой перегонки элемен- тов горючей массы топлива (углерода, водорода, кислорода, азота, серы) определяется остаток элементов горючей массы, попадающих в зону газификации и вступающих там в химическое взаимодействие с кислородом воздуха и водяным паром. При расчете необходимо учесть унос, который составляет обычно от 1 до 5% от веса топлива (в зависимости от прочности топлива и от содержания в нем мелочи) и потерю углерода в шлаке, составляю- щую обычно от 7 до 15% от веса шлака (в зависимости от содержа- ния золы в топливе, ее состава и конструкции газогенератора). Состав газа, получаемого в зоне газификации, определяется путем решения 5 уравнений, связывающих между собой отдельные компо- ненты образующегося газа: двуокиси углерода, окиси углерода, водо- рода, водяного пара и азота. 1. Из одного атома углерода топлива может образоваться одна молекула СО или СОг, поэтому можно составить следующее уравне- ние: СО-f-СО2 —С атомов. (65) 2. При разложении одной молекулы водяного пара образуется одна молекула водорода, отсюда получаем второе уравнение: На -!-Н,О= U7 молей, (66) где IV — количество водяного пара, подаваемого в генератор с дутьем; это количество зависит от вида топлива. 3. Зависимость между водород- и углеродсодержащими компонеи тами газа выражается уравнением: со • н,о _ со2- н2 ~ (67) аналогичным уравнению равновесия (водяного газа. Так как в газо- генераторах равновесие обычно не достигается, то величину К на основании практических данных берут в пределах от 1,7 до 2,5. 4. На каждые 100 молекул азота, подаваемого в газогенератор с воздухом, в химическое взаимодействие £ кислородом воздуха и водяного пара вступает (некоторое число мо»ек$*углерода, которое из- меняется с изменением состава дутья. Это положение можно выразить следующим уравнением: СО -ь со« _ n; : 11 (68) Значения п: Для воздушного дутья.................. от 50 до 52,7 атомов С » паровоздушного дутья.................. 60 , 63 , С , , нагретого д> 250’ дутья .... 62 , 65 , С 5. Количество кислорода, пошедшее на образование СО и СОг, по- лучено за счет кислорода воздуха и разложенного водяного пара; от- сюда уравнение: 2CO2-j-CO=£|-f-H2, (6<1) где -Дд — число атомов кислорода, поступающего с воздухом. 203
Расчет процесса при получении водяного газа разбивается иа те же две стадии. Расчет процесса сухой перегонки может производиться по методу ДоброхотЬйа. Расчет процесса газификации производится по методу А. Б. Чернышева, раз- дельно по фазам горячего и холодного дутья. Величину соотношения в газе горячего дутья можно принимать (на основа- нии практических даниык о работе газогенераторов водяного газа) равной 0,5—1,0, а в водяном газе она колеблется обычно от 6 до 8. Количество неразложенного водяного пара составляет 40—50% от общего количества пара, подаваемого в газо- генератор. Продукты сухой перегонки примешиваются как к водяному газу, так и К газу горячего дутья, который отводится из верхней части шахты газогенератора вад слоем топлива. Основы эксплоатации газогенераторных станций Устройство газогенераторных станций Газогенераторные станции помимо газогенераторов имеют еще це- лый ряд вспомогательных обслуживающих устройств, как-то: ^устрой- Рис. 95. Газогенераторная установка горячего газа с Судой очисткой: 1—газогенератор; 2 — пылеуловитель; 3— тарельчатый кла- пан; 4 — коллектор; 5— рукав для пыли; в—газопровод к потребителю; 7 — воздухопровод к газогенератору; 8 — бункер. ства для подготовки и по- дачи топлива и для уда- ления шлака; 2) газоочи- стные аппараты и 3) уста- новки для подачи дутья .в газогенераторы, для транспорта газа к потре- бителям и др. Выше отмечалось, что одним из основных усло- вий хорошей работы газо- генератора является оди- наковая величина загру- жаемых в него кусков топлива. Поэтому совре- менные газогенераторные станции обычно снаб- жаются установками для дробления и сортировки топлива Подача топлива со склада в бункеры газоге- нераторной станции осу- ществляется в зависимо- сти от вида топлива и мощности станции различ- ными способами: ленточ- ными транспортерами, ковшевыми элеваторами, скиповыми подъемника- ми, фуникулерами и пр. При работе станции на легко рассыпающихся сортах топлива подачу топлива следует осуществлять с минимальным числом перевалок во избежание большого отхода мелочи и пыли. Если число газогенераторов на станции не превышает 8—10, они обычно располагаются в один ряд; при таком размещении их дости- 204
гается хорошая освещенность рабочих помещений. При большом числе газогенераторов они устанавливаются в два ряда. Вдоль каждого ряда газогенераторов, располагается сборный газо- вой коллектор. Отключение газогенераторов от коллектора произво- дится: при высокой температуре газа (500—700°) тарельчатыми клапа- нами, изготовленными из жароупорного материала или защищенными огнеупорной футеровкой, а при более низких температурах (до 100°) — шиберами или водяными затворами. Каждый газогенератор имеет вы- хлопную трубу с шибером; труба помещается между газогенератором и запорным устройством, отключающим газогенератор от общего кол- лектора. Применение той или иной газоочистной аппаратуры зависит от вида топлива, а также от качества и назначения получаемого газа. Наиболее простую схему очистки газа имеют газогенераторные станции, работающие на антраците, коксике или каменных углях, если Рис. 96. Газогенераторная установка для антрацита и кокса с котлом-утили- затором: / — газогенератор; 2~бункер; 3~злеватор; 4— трубчатый котел-утилизатор; 5— подвод паровоз- душной смеси в газогенератор; б—пылеуловитель; 7—скруббер; 8—газопровод очищенного газа; 9—водяной бак. Потребителю подается горячий газ без предварительного охлаждения. Подача потребителю горячего газа применяется, главным образом, в тех случаях, когда желают использовать физическое'тепло газа и по- требитель расположен невдалеке от газогенераторной станции. На станциях, подающих горячий газ, имеется только сухая очистка газа от пыли (рис. 95). Обычно каждый газогенератор 1 снабжается отдель- ным пылеуловителем 2, так что в сборный коллектор горячего газа 4 поступает уже очищенный газ (рис. 95). Но даже при очистке газа 205
в пылеуловителях циклонного типа наиболее мелкая пыль все же уносится в значительном количестве газовым потоком через коллек- тор 4, тарельчатый клапан 3 и попадает в сборный газопровод 6; по- этому газопровод горячего газа снабжается устройствами для перио- дической чистки от пыли и сажи. Из коллектора 4 осевшая здесь пыль по рукаву 5 подается в пылеуловитель 2. Горячий газ посту- пает к потребителю только под избыточным напором (в несколько десятков мм вод. ст.), создаваемым в газогенераторе; поэтому во из- бежание больших потерь напора в газопроводах горячего газа допу- скается очень небольшая скорость газа (1,5—3 м/сек). Так как объем горячего газа велик, а скорость газа небольшая, диаметры сборных газопроводов горячего пара достигают иногда Р/г—2 м в свету. Газогенераторные станции горячего газа теперь сооружаются редко. Газопроводы горячего газа найдут,